数控电源-恒压/恒流，STC32G-HSPWM做BUCK降压式开关电源-PID控制
摘要：本文介绍了一款基于STC32G12K128-LQFP32单片机的数控电源设计，采用BUCK降压拓扑和同步整流技术。系统通过HSPWM直接驱动MOSFET，配合PID算法实现稳压/恒流控制，支持0-6A输出（分辨率1mA）和0-输入电压85%的可调输出（分辨率0.01V）。设计包含硬件SPI接口的OLED显示（当前使用IO模拟I2C）、输入低压保护（12-24V范围）和效率优化（24V输入时效率超90%）。文章详细说明了参数设置、校准方法、串口调试功能及PID调节过程，并提供了电路图与实测数据。特别提醒该设计不适用于电池充电场景，同时分享了通过串口绘图工具进行PID参数调优的实用技巧。
爱好电子技术的朋友可能在翻阅一些电子书刊时常看到“恒流源这个名词，那么什么是恒流源呢？
顾名思义恒流源就是一个能输出恒定电流的电源。图5中的r是电源E的内阻，RL为负载电阻，根据
欧姆定律：流过RL的电流为I=E/r+R如果r很大如500K，那么此时RL在1K---10K变化时，I将基本不
变（只有微小的变化）因为RL相对于r来说太微不足道了，此时我们可以认为E是一个恒流源。为此
我们推论出：恒流源是一个电源内阻非常大的电源。
在电子电路中（如晶体管放大器电路）我们常需要一些电压增益较大的放大器，为此常要将晶
体管集电极的负载电阻设计得尽量大，但此电阻太大将容易使晶体管进入饱和状态，此时我们
可利用晶体三极管来代替这个大电阻，这样一来既可得到大的电阻，同时直流压降并不大，图
6所示。
图中稳压管D和电阻R2组成的稳压电路用来偏置BG1的工作点，并保证工作点的稳定（BG2为放大管）
。从晶体管的输出特性可知，集电极---发射极电压VEC大于1---2V时，特性曲线几乎是平的，
即VEC变化时，IC基本不变，也就是说，晶体管BG1的输出电阻非常大（几百千欧以上），图中
由于BG1的电流基本恒定，所以称BG1是BG2的恒流负载。由于具有恒流源负载的放大器因其负载
电阻大，故这种放大电路具有极大的电压增益，实际上在很多集成电路内部均采用这种电路。
电流可调电位器 电流指示
PCB图
使用STC32G12K128-LQFP32做的数控电源，HSPWM直接驱动MOSFET输出接功率电感和电容滤波，
通过PID控制稳压或恒流， BUCK拓扑，同步整流输出。
下载程序时选择IRC频率24MHz，PWM使用PLL-144MHz，主频使用PLL-144MHz/5=28.8MHz。
I2C接口OLED12864显示相关参数。
电路设计的OLED是SPI接口的，可以使用硬件SPI DMA访问。
但本例使用IO模拟I2C访问OLED屏，以后空了再改一个SPI版本，
使用DMA写屏和ADC DMA读取ADC值，用户也可以自己改一个。
输入电压：12~24V，有输入电压低压停止输出功能，用户设置低压电压，避免使用电池供电时对电池过放。
输出电压：0~输入电压*0.85，分辨率0.01V。大电流负载的投切瞬间输出电压可能会有微小波动。
输出电流：0~6.000A，分辨率1mA。
限流设定：0.100A~6.000A，步进0.100A。PID计算处理的限流分辨率为4mA。
效率：输入24V，输出12V、2A，效率不低于90%，如果除去本机静态功耗，则效率95%以上。
PID处理频率（周期）：4000Hz（250us）。
通过按键调整输入电压低压保护电压、输出电压、输出电流限流值、清零容量mAH。
本程序设置的参数不保存，用户自己可以添加EEPROM保存程序。
当输入电压低于输入电压低压保护电压时，停止输出，指示灯1Hz闪烁(0.5秒亮0.5秒灭)，
直至输入电压恢复至高于设定电压0.5V后恢复输出。
当输出电流小于设定恒流值的10%时，指示灯0.5秒快闪一次提示。
当输出电流大于设定恒流值的10%时，指示灯常亮提示。
注意：本电源不建议用于给电池充电，如果使用，则要小心，先设置好输出电压、输出电流，再接电池。
任何时候电池电压比设置的输出电压高、或者停止输出电压，电源驱动的下NMOS会连续导通，直接短路电池！
用于对电池充电的，请使用“数控电源-SEPIC升降压-恒压恒流-充电器”。
按键设设置：
SEL 第一次短按释放选择调整输出电压，反显设定输出电压值。
第二次短按释放选择调整输出电流限流值，反显设定输出电流限流值。
第三次短按释放选择输入电压低压保护电压值，反显输入电压低压保护电压值。
再短按释放循环前述功能。
5秒未操作则自动退出设定模式，恢复正常显示。
长按1秒会清除充电量mAH，并将输入、输出电流归0（用户可以禁止归0）。
处于调整模式、反显设定项时：
UP 短按一次，设定电压+0.01V或设定电流+0.100A。长按超过1秒则每秒16个repeat key。
DOWN 短按一次，设定电压-0.01V或设定电流-0.100A。长按超过1秒则每秒16个repeat key。
5秒未操作则自动退出设定模式，恢复正常显示。
非调整模式、正常显示时：
UP、DOWN 短按任意一个键，都会切换输出电压、停止输出电压。
手工校准方法：
程序中默认校准系数，编译、下载程序，从GND供电12V（而不是从输入DC插座，设计时没考虑到这点），并且允许输出；
校准输入、输出电压：比如输入电压是12V，输入电压实际读数为12.20V，则校准系数=默认系数0.73242 *12/12.2=0.7204。
输出电压读数为12V，实测为12.3V，则校准系数=默认系数0.73242 *12.3/12=0.75073。
记下此时输入电流、输出电流的读数，即为0点，比如读数为0.056A，则#define Iin_ZERO 56.
长按SEL键至电流清0，从OUT-和IN-（DC输入插座负极）输入校准电流，OUT-接I+，IN-接I-。
比如输入2A，若输入电流读数为1.9A，则输入电流校准系数=默认系数1.0*2/1.9=1.05263。
若输出电流读数为1.1A，则输出电流校准系数=默认系数1.0*2/1.1=1.8182。
重新编译下载即可。
串口调试命令：
串口设置：115200, 8位数据位，1位停止位，无校验。
单个ASCII字符'0'：串口不打印信息。
单个ASCII字符'1'：串口打印绘图曲线，1ms返回5条曲线数据。由于1ms只能返回不超过11个字节，所以参数都转成一个字节，减少发送时间：
通道1，黄色：设定输出电压值 0~255 表示 0.0~25.5V
通道2，绿色：当前输出电压值 0~255 表示 0.0~25.5V
通道3，红色：设定输出电流值 0~255 表示 0.0~2.55A
通道4，紫色：当前输出电流值 0~255 表示 0.0~2.55A
通道5，橙色：当前输出PWM值 0~255 表示 0~2550，实际最大为180即PWM=1800
多字符命令：每个数据都以逗号结束, 不能有空格，不能有除了数字和盗号之外别的字符。
1260,1000,20,15,0,
1260: 设置输出电压(单位0.01V), 1260表示12.60V。
1000: 设置输出电流限流(单位1mA)，1000表示1.000A。PID恒流计算分辨率为4mA。
20: 比例系数(单位0.01)，20表示Kp=0.20。
15: 积分系数(单位0.01)，15表示Ki=0.15。
0: 微分系数(单位0.01)， 0表示Kd=0.00。
发送设置命令时，最好先禁止输出，避免系数突然大改变而可能导致失控。
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使用STC32G12K128-LQFP32的初衷，是因为其是一颗32位内核MCU，
ADC带参考电压输入端，PID需要较多计算，8位内核处理速度慢不推荐。
下面是焊好的样板照片：
大电流的回路，开了镀锡层，减小电阻。
稳压芯片、MOSFET贴上散热片，插上OLED屏，完整版如下：
显示屏的内容我是随便安排的，用户可以根据自己的喜好安排。
设置电压：设置输出电压值，步进0.1V，输出最高电压为输入电压的0.85倍。
设计者电流：设置输出电流限流值，当负载电流到达这个电流后，进入恒流模式。
以下条件任意一个满足，则会退出恒流模式。
1、输出电压比设置电压高0.05V。
2、输出电流比设置的恒流值低36mA。
设置低压：设置输入电压低压保护。当输入电压低于这个设置电压，就会关闭输入，对于电池供电时，
能避免电池过放。低压保护时，LED秒闪提示（亮0.5秒、0.5灭）。
输出效率：输出效率 = 输出功率/ 输入功率 * 100.0%
输入功率：输入电源的功率。
输出PWM：输出的PWM值。
输出状态：STOP--停止输出，此时，下面的NMOS导通，具有超过20A的下拉能力。
Output：输出电压，此时提供稳压、恒流的功率输出。
输出电压：正在输出的电压值。
输出电流：正在输出的电流值。
输入电压：正在输入的电压值。
输入电流：正在输入的电流值。
输出功率：输出电源的功率。
输出电量：输出的mAH数。
设置输出12.00V，设置限流1.000A，接5欧姆负载，恒流输出1.001A，电压5.11V（线路有内阻）。
由于电路静态损耗有0.91瓦（见上图），所以1A电流输出时，效率不高，只有78.7%
设置输出12.00V，设置限流2.000A，接5欧姆负载，恒流输出2.000A，电压10.16V（线路有内阻）。
1A电流输出时，电路静态损耗占比变小，所以效率升高至91.9%
不接负载，长按SEL键超过1秒，输入、输出电流归0。
再接上负载，2A电流输出，此时效率为96.8%，0.5A以上电流的效率基本就在95%以上。
短按SEL键，选择调整设置项，此时可以使用UP和DOWN键调整参数。
具体电路可以参考附件中PDF版本，除了PWM驱动输出电路和电流采样放大电路，别的都是常规电路。
本电路使用同步整流输出的BUCK电路（可以认为是一个大电流的推挽输出电路），
电路本身可以连续输出超过10A的电流（可能要加散热风扇），
本电路电流检测最大7.8A，最大限流6A，PWM1P、PWM1N分别驱动上管和下管，
由于MOSFET和电感的内阻小，电容的ESR也小，会得到高效率的转换，
这部分电路输出12V时的效率能超过95%。
下图为输出电流检测、放大电路，20mR采样，放大16倍，满量程7.8A，程序设置恒流值为6A。
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PID调试：
使用串口绘图来配合PID调试，没有这些曲线显示是很难调试PID的。
打开AiCube-ISP-v6.95Z.exe，再打开“串口绘图”：
设置曲线参数：点击右上角的“设置”，进入下面的设置界面，勾选5条曲线，单字节数据格式。
串口命令设置：点“功能”里的“命令设设置”，
命令1填入1，这是请求返回绘图数据的命令，命令4填入0，这是停止返回数据的命令。点确定。
点击上面的“命令1”或“Ctrl+1”，MCU开始返回数据，
这些数据可以保存起来的。点击“命令4”或“Ctrl+4”，MCU停止返回数据。
可以在“数据”里“加载数据”，就可以打开保存的数据：
下面是输出12.00V，恒流2.000A，负载5欧姆，投切负载时的响应曲线，
黄色为设定输出电压值（0.1V），
绿色为当前输出电压值（0.1V），
红色为设定输出电流值（0.01A），
紫色为当前输出电流值（0.01A），
橙色为当前输出PWM值（x10）。
放大至采样点，一个点为1ms，可见接通负载后，
紫色电流曲线先出现较大值（因为输出电容12V加载到5欧负载上），
10ms后电流降到红色恒流值2.00A，
绿色输出电压曲线跟着下降，稳定在10V左右。
断开负载后，紫色电流急剧降为0，几个ms后绿色电压上升至设定值并稳定，
负载的投切，输出电压没有大的过冲，这算是比较理想的，
但是由于PID处理速度是4000Hz，所以需要几个ms的响应速度。
串口设置PID参数：
下图 “多字符串发送”栏填上要发送的参数，每个数据都以逗号结束,
不能有空格，不能有除了数字和盗号之外别的字符。
点击字符串的序号，即可发送出去。也可以鼠标指向序号右键定义此字符串的名字。
比如：1260,1000,20,15,0,
1260: 设置输出电压(单位0.01V), 1260表示12.60V。
1000: 设置输出电流限流(单位1mA)，1000表示1.000A。PID恒流计算分辨率为4mA。
20: 比例系数(单位0.01)，20表示Kp=0.20。
15: 积分系数(单位0.01)，15表示Ki=0.15。
0: 微分系数(单位0.01)， 0表示Kd=0.00。
发送设置命令时，最好先禁止输出，避免系数突然大改变而可能导致失控。
数控电源-恒压/恒流，STC32G-HSPWM做BUCK降压式开关电源-PID控制
https://www.stcaimcu.com/thread-18814-1-1.html
(出处: 国芯人工智能技术交流网站)