0 前言

本文基于 TI 的 TPS56637 實現一個支持調壓的 BUCK 電路，包含從零開始詳細的 原理解析、原理圖、PCB 及 實測數據

本文屬于《DIY迷你數控電源》系列，本系列我們一起實現一個簡單的迷你數控電源

我是 LNY，一個在對嵌入式的所有都感興趣的博主，一個原廠嵌入式軟件開發工程師
如果對你有幫助，請點贊、收藏、關注三連，這是我持續創作的動力之一！！！

1 如何進行數控調壓

1.1 BUCK原理簡介

BUCK 是一種 DCDC 拓撲結構，把輸入的高電壓轉換成更低的穩定電壓

實現方式是 控制模擬開關導通的占空比 來調整輸出電壓的大小
而 控制模擬開關導通的占空比 是由輸出電壓決定的（許多BUCK芯片將模擬開關集成在芯片內部）

BUCK 的 FB（Feedback，反饋）引腳用于獲取 分壓后的輸出電壓實際值

分壓后的輸出電壓實際值 將和 內部參考電壓 進行比較，組成一個反饋網絡，通過監測輸出電壓，來控制模擬開關的占空比：

分壓后的輸出電壓實際值 > 內部參考電壓 ==> 提高模擬開關導通的占空比，輸出電壓升高
分壓后的輸出電壓實際值 < 內部參考電壓 ==> 降低模擬開關導通的占空比，輸出電壓降低

最終，FB引腳的電壓 將會穩定在 內部參考電壓，而輸出電壓也會穩定在我們想要的電壓上

1.2 如何用BUCK得到想要的電壓

外圍電路的結構芯片原廠已經給出，在一般應用下，我們最重要的工作是：計算FB引腳上電阻分壓網絡的阻值，即下圖中的 R6 和 R7

$V_{OUT}$—— 經過 BUCK 降壓后的輸出電壓
R6、R7 —— 對應原理圖的 R6 和 R7
0.6 —— 反饋電壓，每個 BUCK 芯片可能不同，為一常量，在 DATASHEET 的電氣參數中可以查到

芯片原廠在其應用實例中一般都會給出上圖中所示的一個公式
在輸入和輸出參數都滿足其要求的情況下，選定R6和R7的阻值，就可以得到想要的輸出電壓

這個公式是怎么得來的？
這個公式可以寫成：
$$\begin{array}{r}0.6=\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}?R_7\end{array}$$
看原理圖，電流從 VOUT 經過 $R_6$ 和 $R_7$ 流入 GND，那么這條回路上的電流為：$\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}$
這條回路上電流處處相等，因此電阻 $R_7$ 兩端的電壓為 $V_{R_7}=\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}?R_7$
電阻 $R_7$ 兩端的電壓就是其兩端的壓差，而其一端是 GND 電壓為0V，那么其另一端電壓值就是$V_{R_7}$
這一點直接連接BUCK芯片FB引腳，即 $V_{FB}=\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}?R_7$

上面我們有說，BUCK芯片的目的就是控制模擬開關導通的占空比，讓$V_{FB}$和內部參考電壓保持一致，從而得到想要的輸出電壓。目前我們$V_{OUT}$（由設計指標得到）、$V_{FB}$（由芯片手冊得到）已知，只要選擇 $R_6$ 和 $R_7$ 讓這個等式成立就可以了。

阻值選擇的注意事項？

1. 必須保證上述等式成立。
2. 阻值應在合理范圍內選擇。阻值過大會導致 FB 引腳內部誤差放大器偏置電流引起的誤差變大，且更容易拾取環境中的電磁干擾噪聲等；阻值過小會導致由過多電流流入電阻分壓網絡，導致系統功耗變大。

當手冊沒有明確指定時，選擇幾十kΩ級別（如10kΩ - 200kΩ） 的電阻通常是一個安全、合理且廣泛應用的起點。

1.3 如何動態調整BUCK的輸出電壓

首先，廠商自己會推出一些支持調壓的 DC-DC 芯片，可以通過一些通訊協議來調整輸出電壓。

但我們這里討論的是 普通的 DC-DC 芯片如何完成調壓。當然，TI 在其DATASHEET里有寫，不建議這么操作。

卓晴老師在他的文章數控降壓電源模塊DCDC| 5A，LCD顯示講解了一種數控調壓的方法：通過使用DAC注入電流，以調整FB電壓，進而調整輸出電壓。我們簡單復習一下。

在正常情況下，FB 引腳的電壓$V_{FB}$由 VOUT 經過電阻分壓網絡直接得到
那么如果我們自己控制 FB 引腳的電壓$V_{FB}$，是不是就能調整輸出電壓了呢？

卓晴老師在其文章中引用了XL4015-ADJ 5A 大電流DC-DC原理圖分享一文中的原理圖，這里借用一下：

從上圖可以看到，$I_2$、$I_3$流入 VFB 節點，$I_1$流出 VFB 節點，他們的大小分別是：
$$\begin{array}{rl}{I}_1& =\frac{V_{FB}}{R_1}\\ I_2& =\frac{V_{OUT}?V_{FB}}{R_2}\\ I_3& =\frac{V_G?V_D?V_{FB}}{R_3}\end{array}$$
其中：
$V_G$ —— DAC （或其它，如濾波后的PWM信號）輸出的直流電壓
$V_D$ —— 二極管（一般是肖特基二極管，因為壓降低）的壓降

根據基爾霍夫電流定律，在任意時刻，流入電路中某一節點（或閉合面）的電流之和等于流出該節點（或閉合面）的電流之和，因此：
$$\begin{array}{r}{I}_1=I_2+I_3\end{array}$$
聯立以上四式，得：
$$V_{OUT}=V_{FB}\times \left(1+\frac{R_2}{R_1}\right)+(V_{FB}+V_D?V_G)\times \frac{R_2}{R_3}$$
現在我們在選定 $R_1$ 、 $R_2$ 和 $R_3$ 三個阻值后，就可以通過調整 $V_G$ 的電壓來調整 $V_{OUT}$ 了！

1.4 其它

在此我有個疑問，為什么不直接將DAC接入到FB引腳呢？

！！！以下內容來源于DeepSeek，供大家參考：

2 設計選型

2.1 背景：數控電源DIY項目

在選擇設計指標前，有必要說一下要實現的DIY項目。
這個DIY項目的最終目標是實現一個迷你數控電源，其和調壓相關的實現如下：

1. 電壓誘騙
   數控電源的電源輸入來自快充充電器，通過 PD 協議芯片 STUSB4500，誘騙出5V、9V、12V或20V電壓。如果快充頭支持PPS協議，那么可以在 5V——20V 以 0.05V 的步進自由選擇數控電源的輸入電壓（因為 STUSB4500 只支持這些，而非快充協議限制）。
2. 電壓轉換
   作為一個數控電源，應該可以以較高精度的步進調整輸出電壓，為此支持兩種電壓輸出方式：
   方式1： 通過 PPS 協議直接誘騙出需要的電壓。
   （優點：電路簡單、效率高。缺點：最低輸出5V，調整步進精度0.05V）
   方式2： 由 PD3.0 或 PPS 協議誘騙出一特定電壓后，輸入到數控 BUCK 電路，調整為最終需要的電壓。
   （優點：可以輸出低于5V的電壓、調整步進精度高。缺點：由于BUCK壓差的限制，不能輸出過高的電壓；輸出紋波大）
   .
   為了實現上述功能，將使用兩個負載開關芯片 LM73100（也是理想二極管芯片）實現二選一輸出。
3. 計量
   使用 INA233 計量芯片實現對輸出的電壓、電流、功率和能量進行計量。
4. 保護功能
   使用 TPS25974 電子保險絲實現過流、過壓、短路等接口保護。

2.2 設計指標

基于上述前提，可以定出對BUCK調壓電路基本的設計指標

• 輸入電壓：5V——20V（由PD誘騙芯片決定，STUSB4500 最高支持20V）
• 輸出電壓：0V——12V（需要更高電壓時，由PD誘騙后通過快充頭直出）
• 輸出電流：5A（由PD誘騙芯片決定，STUSB4500 最高支持5A）
• 輸出紋波：100mV（僅BUCK輸出，不包含后級eFuse的大電容）
• 調壓精度：10mV

2.3 BUCK選型

基于以上指標，選擇了德州儀器的 TPS56637。

3 硬件設計

3.1 原理圖 & 參數設計

DATASHEET的參考設計：

參考以上設計，繪制我們的原理圖

那么主要選擇的參數就是 $R_{22}$ 、 $R_{23}$ 和 $R_{25}$ 了。

根據上面的公式：
$$V_{OUT}=V_{FB}\times \left(1+\frac{R_{23}}{R_{22}}\right)+(V_{FB}+V_D?V_G)\times \frac{R_{23}}{R_{25}}$$
其中，已知參數是：
$V_G$是DAC輸出的電壓，范圍是 0V — 3.3V；
$V_D$是肖特基二極管上的壓降，1N5817WS 的壓降是 0.45V；
$R_{22}$初選為10kΩ，$R_{23}$選為220kΩ，$R_{25}$選為36kΩ。
$$V_{OUT}=0.6\times \left(1+\frac{220}{10}\right)+(1.05?V_G)\times \frac{220}{36}$$
在$V_G$輸出 0V 時，$V_{OUT}=20.21V$；
在$V_G$輸出 3.3V 時，$V_{OUT}=0.05V$；

12bit DAC的輸出范圍碼字為0 — 4096，對應 0.05V 和 20.21V，那么一個碼子對應的電壓值為0.005V，即理論調壓精度為5mV。

但是BUCK芯片是有壓差要求的，且 TPS56637 最高輸出電壓為13V，因此DAC的最低輸出電壓$V_{G_{MAX}}=1.18V$。

3.2 軟件效率優化

在我們這個應用中，因為輸入電壓來源于快充充電器，所以可以獲取到范圍內的所有電壓值。

那是否會有一種控制算法
根據輸出電壓值，先粗調一個輸入電壓值，再通過BUCK精調，保證BUCK工作在最高效率下呢？

題主認為這種方式肯定是必須且有成效的，但是這部分還沒有完成，完成了會貼出來，并附上測試結果。

3.3 PCB & 渲染圖

根據上述的原理圖layout，BUCK電路對應下圖中紅框的位置。

4 測試

4.1 測試環境

上圖中將BUCK的 MODE 引腳接地，從而使BUCK進入 ECO模式，在輕載下獲得更高的效率

在實際應用中，MODE 引腳由MCU的GPIO控制（但是這塊板的MCU剛剛炸掉，所以就簡單粗暴的短接到GND了）

4.2 簡單測試

DAC電壓為3.197V時，BUCK輸出電壓1.941V
DAC電壓為0V時，BUCK輸出電壓為13.97V

4.3 進一步的測試待更新…

總之先簡單的驗證一下這個電路能用吧，具體效果怎么樣后面再更新

后面的打算換一款板子，把MCU焊好之后再測試。

5 本系列其它文章（或更新計劃）

如果已經更新，下面會出現超鏈接

硬件：

• MCU —— STM32G431CBU6
• 調壓BUCK電路 —— 基于TPS56637（本文）
• 功率計電路 —— 基于INA233
• 理想二極管開關電路 —— 基于LM73100
• 電子保險絲電路 —— 基于TPS25974
• PD3.0（PPS） SINK電路 —— 基于STUSB4500
• 旋轉編碼器 & 蜂鳴器電路 —— 基于EC11和SS8050
  .

軟件：

• STUSB4500 —— BSP程序開發
• INA233 —— BSP程序開發
• EC11編碼器 &蜂鳴器 —— BSP程序開發
• LVGL —— 圖形庫移植與應用開發
• FreeRTOS —— 移植與應用開發
  .

其它：

• 外殼設計及加工
• 元器件及結構件的選擇
  .

相關文章：

• PPS（PD3.0）快充SINK模塊 — 基于STUSB4500

6 參考資料

[1] 數控降壓電源模塊DCDC| 5A，LCD顯示 —— 卓晴
[2] XL4015-ADJ 5A 大電流DC-DC原理圖分享 —— 蘇守坤
[3] TPS56637 DATASHEET