🤞🏼 🍽️ 🍤 CC / CVモードのSTM32F334のデジタル制御を備えたバックブーストコンバーター 🧒🏾 ↖️ 📳

最も一般的なDC / DCトポロジの降圧と昇圧には大きな制限があります。降圧トポロジは入力電圧を下げることしかできませんが、昇圧トポロジはそれを増やすだけです。ただし、入力電圧範囲を増減するために同時に作業が必要な場合があります。たとえば、3 ... 15Vの入力があり、出力では安定した12Vを取得する必要があります。身近な状況？

2つの可能な解決策があります。

ブーストコンバーターを使用して、入力電圧を出力で3 ... 15Vから安定した15Vに上げ、次に降圧トポロジを使用して、必要な12Vまで電圧を下げます。
この問題を最適に解決できるようにする昇降圧トポロジを適用します。

最初の方法の明らかな欠点は、2つのチョークを使用する必要があること、コンデンサの数が増えること、および最適な動作モードではないこと、つまり効率が低下することです。バックブーストトポロジにはこれらの欠点がないため、本日はそれについて説明します。面白くするために、既成のコントローラーを使わないことにし、STM32F334C8T6に基づいてデジタル制御のDC / DCコンバーターを実装しました。

テキストの壁を読みたくない人のための仕事の結果

この記事の枠組みの中で、コンバーターのハードウェア実装と、さまざまな動作モードの制御システムを実装する方法について簡単に説明します。面白い？次に行きましょう...

1.簡単に昇降圧トポロジーが機能する方法について

: 2 2 , .. , 2 (4 ). , . :

, : 2 ( 2 , ), 4 , . 1 2 (OCP) . 2 ? , , .

, , , STM32F334, STM32G474, XMC4108, TMS320F28027 , .. : HRPWM, , , . , , , . , , , (OCP) , , .

… buck-boost :

buck () boost (), — 3 buck-, L1C3 LC-. 3 boost-, . , buck-, boost-. .

buck:

V_{o u t} = V_{i n} * D

$V_{out} = V_{in} * D$

boost:

V_{o u t} = \frac{V_{i n}}{(1 - D)}

$V_{out} = \frac{V_{in}} {(1 - D)}$

, buck- boost :

V_{o u t - b o o s t} = \frac{V_{i n - b u c k} * D_{b u c k}}{1 - D_{b o o s t}}

$V_{out-boost} = \frac{V_{in-buck} * D_{buck}} {1 - D_{boost}}$

buck-boost 3- : ( PWM-BUCK PWM-BOOST). , .

, . , 8, D_boost 70%, D_buck 50%. :

V_{o u t - b o o s t} = \frac{V_{i n - b u c k} * D_{b u c k}}{1 - D_{b o o s t}} = \frac{8 V * 0, 5}{1 - 0, 7} = 13, 33 V

$V_{out-boost} = \frac{V_{in-buck} * D_{buck}} {1 - D_{boost}} = \frac{8V * 0,5} {1 - 0,7} = 13,33V$

, 8 . , , , 2 - :

オシロスコープチャート

. (duty) 2- . duty, .

2. .

2 , : . , , CC/CV . :

制御ブロック図

CC CV , : REF , , ; , , , , .

-, , " " . "" (REF), , , 10. , buck-boost , (duty). - . , .

e r r o r = V_{r e f e r e n c e} - V_{o u t}

$error = V_{reference} - V_{out}$

それは私たちに何を与えますか？これで、出力電圧の実際の値が設定値（REF）からどれだけずれているかがわかりました。これにより、電圧を増減するために「コマンドを与える」必要があるかどうかを理解できます。たとえば、降圧トポロジでは、電圧を上げるには、上部トランジスタのデューティファクタを上げ、電圧を下げるには、それに応じてデューティサイクルを下げる必要があります。逆に、ブーストのトポロジでは、バックブーストの信号が2つあり、ここではより複雑です-バランスを取る必要がありますが、アイデアは平均的に明確であると思いますが、明確にするために、バックを制御するための疑似コードを示します。

//      -
uint16_t dutyPWM = 0;

//  ,     
const float referenceOutputVoltage = 10.0f;

//    , ,  1 
void sTim3::handler (void) {
    float outputVoltage = GetOutputVoltage();
    if (outputVoltage > referenceOutputVoltage) {
        dutyPWM--;
    } else {
        dutyPWM++;
    }
}

, . - ( ), , -, -:

//      -
uint16_t dutyPWM = 0;

//  ,     
const float referenceOutputVoltage = 10.0f;

//    
const float Kp = 1.0f;

//    , ,  1 
void sTim3::handler (void) {
    float outputVoltage = GetOutputVoltage();
    float error = referenceOutputVoltage - outputVoltage;
    dutyPWM += Kp * error;
}

… , , (dutyPWM) buck , , . , (reference), dutyPWM .

, 1 , . error -. , dutyPWM .

buck dc/dc , 20. dutyPWM 0, 1000, buck V_out = V_in x dutyPWM = 20V x 0 = 0V, 0. ( №1) error = 10 — 0 = 10 dutyPWM = 10, V_out = V_in x dutyPWM = 20V x (10/1000) = 0.2V. 1 ( №2) error = 10 — 0.2V = 9.8V, dutyPWM = 19.8, (reference). , reference 10 ( ).

Kp, , . 1, . , 0.2 . () , , . Kp 10 : dutyPWM = Kp x error = 10 x (10 — 0) = 100, 0.2, V_out = V_in x dutyPWM = 20V x (100/1000) = 2V, " " 10 . Kp . , , , , .

… ? , .

3. CV mode

CV mode, . ( ), , , : - ++. , . , .

STM32F334C8T6, , HRPWM . , , . , (2-3-4) , , .

CV :

/***********************************************************
*       200 ,
*    HRPWM    - 30 000.
*     : 3...15
*    : 20 
*
*      : 12
***********************************************************/

void sTim3::handler (void) {
    TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    float inputVoltage = Feedback::GetInputVoltage();

    //   boost,  Vin < 90% * Vref
    if (inputVoltage <= (Application::referenceOutputVoltage * 0.9)) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, 29000);
        float outputVoltage = Feedback::GetOutputVoltage();

        pidVoltageMode
            .SetReference(Application::referenceOutputVoltage)
            .SetSaturation(-29800, 29800)
            .SetFeedback(outputVoltage, 0.001)
            .SetCoefficient(10,0,0,0,0)
            .Compute();

        Application::dutyBoost += pidVoltageMode.Get()
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, Application::dutyBoost);
    }

    //   buck,  Vin > Vref * 110%
    if (inputVoltage >= (Application::referenceOutputVoltage * 1.1)) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, 1000);
        float outputVoltage = Feedback::GetOutputVoltage();

        pidVoltageMode
            .SetReference(Application::referenceOutputVoltage)
            .SetSaturation(-29800, 29800)
            .SetFeedback(outputVoltage, 0.001)
            .SetCoefficient(10,0,0,0,0)
            .Compute();

        Application::dutyBuck += pidVoltageMode.Get()
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, Application::dutyBuck);
    }

    //   buck-boost,  (90% * Vref) < Vin < (110% * Vref)
    if ((inputVoltage > (Application::referenceOutputVoltage * 0.9)) && (inputVoltage < (Application::referenceOutputVoltage * 1.1))) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, 6000);
        float outputVoltage = Feedback::GetOutputVoltage();

        pidVoltageMode
            .SetReference(Application::referenceOutputVoltage)
            .SetSaturation(-29800, 29800)
            .SetFeedback(outputVoltage, 0.001)
            .SetCoefficient(10,0,0,0,0)
            .Compute();

        Application::dutyBuck += pidVoltageMode.Get()
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, Application::dutyBuck);
    }    
}

… buck-boost, , 2- buck boost . 2- : . , , , .

/***********************************************************
*       200 ,
*    HRPWM    - 30 000.
*     : 3...15
*    : 20 
*
*      : 12
***********************************************************/

void sTim3::handler (void) {
    TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    //          boost
    float inputVoltage = Feedback::GetInputVoltage();
    if (inputVoltage < 6.0f) { Application::dutyBoost = 25000; }
    if ((inputVoltage >= 6.0f) && (inputVoltage < 12.0f)) { Application::dutyBoost = 18000; }
    if (inputVoltage >= 12.0f) { Application::dutyBoost = 6000; }
    Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, Application::dutyBoost);

    //         buck 
    float outputVoltage = Feedback::GetOutputVoltage();

    pidVoltageMode
        .SetReference(Application::referenceOutputVoltage)
        .SetSaturation(-29800, 29800)
        .SetFeedback(outputVoltage, 0.001)
        .SetCoefficient(10,0,0,0,0)
        .Compute();

    Application::dutyBuck += pidVoltageMode.Get();
    Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, Application::dutyBuck);    
}

3 : 3...6, 6...12 12...15 boost , buck. , — , . , ( ), .

3 , , , , . dutyBoost : , buck boost-, 90% ( ). , 3...15 . dutyBoost — 3 15, , .. . dutyBuck 90% 3 "" boost- 3 x 0,9 = 2,7, boost 15 2.7! dutyBoost 1 — (V_out / V_in) = 1 — 2,7 / 15 = 82%, , - 30000, 30 000 x 82% = 24 600, 25000.

3, 5, buck 3. , dutyBoost, buck 90% 12. , ~3,2% . ? , , "" .

6...12 60% 18000, 12...15 20% 6000. - ...

3- . , , buck 100% boost-, boost dc/dc . , , — boost- 0% buckDuty, buck dc/dc . — , buck, boost buck-boost...

boost , "" 90% , V_ref x 90% = 12 x 0,9 = 10,8. dutyBoost = 1 — (V_ref x 90%) / (V_ref x 110%) = 1 — 0,9 / 1,1 = 19% = 5700, 6000 . buck- buckDuty. "" buck-boost , . , :

4. CC mode

, . , , , LED, - , . , dc/dc , .. (duty), ?

— : U = I x R. , , , 10 . dc/dc 10 , I = U / R = 1, , .. . Li-ion , , 15, - 5, . , , I = U / R = const.

, , , . , , , I = U / R = const.

, 1. 1 1: I = 1 = const = U / R = 1 / 1 . 5 , 5: I = 1 = const = U / R = 5 / 5 . 5, 1 0.2 .

, , (error) , (dutyPWM). :


/***********************************************************
*       200 ,
*    HRPWM    - 30 000.
*     : 3...15
*    : 20 
*
*      : 1
***********************************************************/

void sTim3::handler (void) {
    TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    float inputVoltage = Feedback::GetInputVoltage();

    //   boost,  Vin < 90% * Vref
    if (inputVoltage <= (Application::referenceOutputVoltage * 0.9)) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, 29000);
        float outputCurrent = Feedback::GetOutputCurrent();

        pidCurrentMode
            .SetReference(Application::referenceOutputCurrent)
            .SetSaturation(-29800, 29800)
            .SetFeedback(outputCurrent, 0.001)
            .SetCoefficient(10,0,0,0,0)
            .Compute();

        Application::dutyBoost += pidCurrentMode.Get()
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, Application::dutyBoost);
    }

    //   buck,  Vin > Vref * 110%
    if (inputVoltage >= (Application::referenceOutputVoltage * 1.1)) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, 1000);
        float outputCurrent = Feedback::GetOutputCurrent();

        pidCurrentMode
            .SetReference(Application::referenceOutputCurrent)
            .SetSaturation(-29800, 29800)
            .SetFeedback(outputCurrent, 0.001)
            .SetCoefficient(10,0,0,0,0)
            .Compute();

        Application::dutyBuck += pidCurrentMode.Get()
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, Application::dutyBuck);
    }

    //   buck-boost,  (90% * Vref) < Vin < (110% * Vref)
    if ((inputVoltage > (Application::referenceOutputVoltage * 0.9)) && (inputVoltage < (Application::referenceOutputVoltage * 1.1))) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, 6000);
        float outputCurrent = Feedback::GetOutputCurrent();

         pidCurrentMode
            .SetReference(Application::referenceOutputCurrent)
            .SetSaturation(-29800, 29800)
            .SetFeedback(outputCurrent, 0.001)
            .SetCoefficient(10,0,0,0,0)
            .Compute();

        Application::dutyBuck += pidCurrentMode.Get()
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, Application::dutyBuck);
    }    
}

, buck-boost . , (outputCurrent) - (referenceOutputCurrent) , , . :

e r r o r = I_{r e f e r e n c e} - I_{o u t}

$error = I_{reference} - I_{out}$

, CV mode. - , 2 : , , , .

LED 10 1, :

5. CC/CV mode

, … :

10 Li-ion , , . , , ( ) , .

1, Li-ion , . … ? , , , , , — .

- , ? CC/CV, . : 1 Li-ion 4.2 , CC/CV 3...15 1. , 1 , CC , . , 15, CV, 15 ( ).

2 , .. , 15 , , 1 — , . 3, , , CV , . , :


/***********************************************************
*       200 ,
*    HRPWM    - 30 000.
*     : 3...15
*    : 20 
*
*      : 10 1
***********************************************************/

void sTim3::handler (void) {
    TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    float resultPID = 0.0f;

    float inputVoltage = Feedback::GetInputVoltage();

    //   boost,  Vin < 90% * Vref
    if (inputVoltage <= (Application::referenceOutputVoltage * 0.9)) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, 29000);

        float outputVoltage = Feedback::GetOutputVoltage();
        float outputCurrent = Feedback::GetOutputCurrent();

        //   CC mode,  Vout < Vref
        if (outputVoltage < (Application::referenceOutputVoltage - 0.2f)) {
            pidCurrentMode
                .SetReference(Application::referenceOutputCurrent)
                .SetSaturation(-29800, 29800)
                .SetFeedback(outputCurrent, 0.001)
                .SetCoefficient(20,0,0,0,0)
                .Compute();
            resultPID = pidCurrentMode.Get();
        }

        //   CV mode,  (Iout -> 0)  (Vout => Vref)
        if ((outputCurrent < 0.05f) || (outputVoltage >= (Application::referenceOutputVoltage - 0.2f))) {
            pidVoltageMode
                .SetReference(Application::referenceOutputVoltage)
                .SetSaturation(-29800, 29800)
                .SetFeedback(outputVoltage, 0.001)
                .SetCoefficient(50,0,0,0,0)
                .Compute();
            resultPID = pidVoltageMode.Get();
        }

        Application::dutyBoost += resultPID;
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, Application::dutyBoost);
    }

    //   buck,  Vin > Vref * 110%
    if (inputVoltage >= (Application::referenceOutputVoltage * 1.1)) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, 1000);

        float outputVoltage = Feedback::GetOutputVoltage();
        float outputCurrent = Feedback::GetOutputCurrent();

        //   CC mode,  Vout < Vref
        if (outputVoltage < (Application::referenceOutputVoltage - 0.2f)) {
            pidCurrentMode
                .SetReference(Application::referenceOutputCurrent)
                .SetSaturation(-29800, 29800)
                .SetFeedback(outputCurrent, 0.001)
                .SetCoefficient(20,0,0,0,0)
                .Compute();
            resultPID = pidCurrentMode.Get();
        }

        //   CV mode,  (Iout -> 0)  (Vout => Vref)
        if ((outputCurrent < 0.05f) || (outputVoltage >= (Application::referenceOutputVoltage - 0.2f))) {
            pidVoltageMode
                .SetReference(Application::referenceOutputVoltage)
                .SetSaturation(-29800, 29800)
                .SetFeedback(outputVoltage, 0.001)
                .SetCoefficient(50,0,0,0,0)
                .Compute();
            resultPID = pidVoltageMode.Get();
        }

        Application::dutyBuck += resultPID;
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, Application::dutyBuck);
    }

    //   buck-boost,  (90% * Vref) < Vin < (110% * Vref)
    if ((inputVoltage > (Application::referenceOutputVoltage * 0.9)) && (inputVoltage < (Application::referenceOutputVoltage * 1.1))) {
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::boost, 6000);

        float outputVoltage = Feedback::GetOutputVoltage();
        float outputCurrent = Feedback::GetOutputCurrent();

        //   CC mode,  Vout < Vref
        if (outputVoltage < (Application::referenceOutputVoltage - 0.2f)) {
            pidCurrentMode
                .SetReference(Application::referenceOutputCurrent)
                .SetSaturation(-29800, 29800)
                .SetFeedback(outputCurrent, 0.001)
                .SetCoefficient(20,0,0,0,0)
                .Compute();
            resultPID = pidCurrentMode.Get();
        }

        //   CV mode,  (Iout -> 0)  (Vout => Vref)
        if ((outputCurrent < 0.05f) || (outputVoltage >= (Application::referenceOutputVoltage - 0.2f))) {
            pidVoltageMode
                .SetReference(Application::referenceOutputVoltage)
                .SetSaturation(-29800, 29800)
                .SetFeedback(outputVoltage, 0.001)
                .SetCoefficient(50,0,0,0,0)
                .Compute();
            resultPID = pidVoltageMode.Get();
        }

        Application::dutyBuck += resultPID;
        Hrpwm::SetDuty(Hrpwm::Channel::buck, Application::dutyBuck);
    }    
}

, , if, . .

, 2 -, , — -. CC mode CV mode. : (Application::referenceOutputVoltage) , CV mode, 15. , CC mode 1.

, / , . , LED 2 . , , 10 STM32F334 .

buck-boost dc/dc CC/CV:

...

lamerok veydlin, (, , ), !

, : https://t.me/proHardware. , , , , , .

, . buck-boost-, , , - , .

CC / CVモードのSTM32F334のデジタル制御を備えたバックブーストコンバーター

1.簡単に昇降圧トポロジーが機能する方法について

2. .

3. CV mode

4. CC mode

5. CC/CV mode

...

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