数控调压BUCK电路 —— 基于TPS56637（TI）

0 前言

本文基于 TI 的 TPS56637 实现一个支持调压的 BUCK 电路，包含从零开始详细的 原理解析、原理图、PCB 及 实测数据

本文属于《DIY迷你数控电源》系列，本系列我们一起实现一个简单的迷你数控电源

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1 如何进行数控调压

1.1 BUCK原理简介

BUCK 是一种 DCDC 拓扑结构，把输入的高电压转换成更低的稳定电压

实现方式是 控制模拟开关导通的占空比 来调整输出电压的大小
而 控制模拟开关导通的占空比 是由输出电压决定的（许多BUCK芯片将模拟开关集成在芯片内部）

BUCK 的 FB（Feedback，反馈）引脚用于获取 分压后的输出电压实际值

分压后的输出电压实际值 将和 内部参考电压 进行比较，组成一个反馈网络，通过监测输出电压，来控制模拟开关的占空比：

分压后的输出电压实际值 > 内部参考电压 ==> 提高模拟开关导通的占空比，输出电压升高
分压后的输出电压实际值 < 内部参考电压 ==> 降低模拟开关导通的占空比，输出电压降低

最终，FB引脚的电压 将会稳定在 内部参考电压，而输出电压也会稳定在我们想要的电压上

1.2 如何用BUCK得到想要的电压

外围电路的结构芯片原厂已经给出，在一般应用下，我们最重要的工作是：计算FB引脚上电阻分压网络的阻值，即下图中的 R6 和 R7

$V_{OUT}$—— 经过 BUCK 降压后的输出电压
R6、R7 —— 对应原理图的 R6 和 R7
0.6 —— 反馈电压，每个 BUCK 芯片可能不同，为一常量，在 DATASHEET 的电气参数中可以查到

芯片原厂在其应用实例中一般都会给出上图中所示的一个公式
在输入和输出参数都满足其要求的情况下，选定R6和R7的阻值，就可以得到想要的输出电压

这个公式是怎么得来的？
这个公式可以写成：
$$\begin{array}{r}0.6=\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}\ast R_7\end{array}$$
看原理图，电流从 VOUT 经过 $R_6$ 和 $R_7$ 流入 GND，那么这条回路上的电流为：$\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}$
这条回路上电流处处相等，因此电阻 $R_7$ 两端的电压为 $V_{R_7}=\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}\ast R_7$
电阻 $R_7$ 两端的电压就是其两端的压差，而其一端是 GND 电压为0V，那么其另一端电压值就是$V_{R_7}$
这一点直接连接BUCK芯片FB引脚，即 $V_{FB}=\frac{V_{OUT}}{R_6+R_7}\ast R_7$

上面我们有说，BUCK芯片的目的就是控制模拟开关导通的占空比，让$V_{FB}$和内部参考电压保持一致，从而得到想要的输出电压。目前我们$V_{OUT}$（由设计指标得到）、$V_{FB}$（由芯片手册得到）已知，只要选择 $R_6$ 和 $R_7$ 让这个等式成立就可以了。

阻值选择的注意事项？

1. 必须保证上述等式成立。
2. 阻值应在合理范围内选择。阻值过大会导致 FB 引脚内部误差放大器偏置电流引起的误差变大，且更容易拾取环境中的电磁干扰噪声等；阻值过小会导致由过多电流流入电阻分压网络，导致系统功耗变大。

当手册没有明确指定时，选择几十kΩ级别（如10kΩ - 200kΩ） 的电阻通常是一个安全、合理且广泛应用的起点。

1.3 如何动态调整BUCK的输出电压

首先，厂商自己会推出一些支持调压的 DC-DC 芯片，可以通过一些通讯协议来调整输出电压。

但我们这里讨论的是 普通的 DC-DC 芯片如何完成调压。当然，TI 在其DATASHEET里有写，不建议这么操作。

卓晴老师在他的文章数控降压电源模块DCDC| 5A，LCD显示讲解了一种数控调压的方法：通过使用DAC注入电流，以调整FB电压，进而调整输出电压。我们简单复习一下。

在正常情况下，FB 引脚的电压$V_{FB}$由 VOUT 经过电阻分压网络直接得到
那么如果我们自己控制 FB 引脚的电压$V_{FB}$，是不是就能调整输出电压了呢？

卓晴老师在其文章中引用了XL4015-ADJ 5A 大电流DC-DC原理图分享一文中的原理图，这里借用一下：

从上图可以看到，$I_2$、$I_3$流入 VFB 节点，$I_1$流出 VFB 节点，他们的大小分别是：
$$\begin{array}{rl}{I}_1& =\frac{V_{FB}}{R_1}\\ I_2& =\frac{V_{OUT}-V_{FB}}{R_2}\\ I_3& =\frac{V_G-V_D-V_{FB}}{R_3}\end{array}$$
其中：
$V_G$ —— DAC （或其它，如滤波后的PWM信号）输出的直流电压
$V_D$ —— 二极管（一般是肖特基二极管，因为压降低）的压降

根据基尔霍夫电流定律，在任意时刻，流入电路中某一节点（或闭合面）的电流之和等于流出该节点（或闭合面）的电流之和，因此：
$$\begin{array}{r}{I}_1=I_2+I_3\end{array}$$
联立以上四式，得：
$$V_{OUT}=V_{FB}\times \left(1+\frac{R_2}{R_1}\right)+(V_{FB}+V_D-V_G)\times \frac{R_2}{R_3}$$
现在我们在选定 $R_1$ 、 $R_2$ 和 $R_3$ 三个阻值后，就可以通过调整 $V_G$ 的电压来调整 $V_{OUT}$ 了！

1.4 其它

在此我有个疑问，为什么不直接将DAC接入到FB引脚呢？

！！！以下内容来源于DeepSeek，供大家参考：

2 设计选型

2.1 背景：数控电源DIY项目

在选择设计指标前，有必要说一下要实现的DIY项目。
这个DIY项目的最终目标是实现一个迷你数控电源，其和调压相关的实现如下：

1. 电压诱骗
   数控电源的电源输入来自快充充电器，通过 PD 协议芯片 STUSB4500，诱骗出5V、9V、12V或20V电压。如果快充头支持PPS协议，那么可以在 5V——20V 以 0.05V 的步进自由选择数控电源的输入电压（因为 STUSB4500 只支持这些，而非快充协议限制）。
2. 电压转换
   作为一个数控电源，应该可以以较高精度的步进调整输出电压，为此支持两种电压输出方式：
   方式1： 通过 PPS 协议直接诱骗出需要的电压。
   （优点：电路简单、效率高。缺点：最低输出5V，调整步进精度0.05V）
   方式2： 由 PD3.0 或 PPS 协议诱骗出一特定电压后，输入到数控 BUCK 电路，调整为最终需要的电压。
   （优点：可以输出低于5V的电压、调整步进精度高。缺点：由于BUCK压差的限制，不能输出过高的电压；输出纹波大）
   .
   为了实现上述功能，将使用两个负载开关芯片 LM73100（也是理想二极管芯片）实现二选一输出。
3. 计量
   使用 INA233 计量芯片实现对输出的电压、电流、功率和能量进行计量。
4. 保护功能
   使用 TPS25974 电子保险丝实现过流、过压、短路等接口保护。

2.2 设计指标

基于上述前提，可以定出对BUCK调压电路基本的设计指标

• 输入电压：5V——20V（由PD诱骗芯片决定，STUSB4500 最高支持20V）
• 输出电压：0V——12V（需要更高电压时，由PD诱骗后通过快充头直出）
• 输出电流：5A（由PD诱骗芯片决定，STUSB4500 最高支持5A）
• 输出纹波：100mV（仅BUCK输出，不包含后级eFuse的大电容）
• 调压精度：10mV

2.3 BUCK选型

基于以上指标，选择了德州仪器的 TPS56637。

3 硬件设计

3.1 原理图 & 参数设计

DATASHEET的参考设计：

参考以上设计，绘制我们的原理图

那么主要选择的参数就是 $R_{22}$ 、 $R_{23}$ 和 $R_{25}$ 了。

根据上面的公式：
$$V_{OUT}=V_{FB}\times \left(1+\frac{R_{23}}{R_{22}}\right)+(V_{FB}+V_D-V_G)\times \frac{R_{23}}{R_{25}}$$
其中，已知参数是：
$V_G$是DAC输出的电压，范围是 0V — 3.3V；
$V_D$是肖特基二极管上的压降，1N5817WS 的压降是 0.45V；
$R_{22}$初选为10kΩ，$R_{23}$选为220kΩ，$R_{25}$选为36kΩ。
$$V_{OUT}=0.6\times \left(1+\frac{220}{10}\right)+(1.05-V_G)\times \frac{220}{36}$$
在$V_G$输出 0V 时，$V_{OUT}=20.21V$；
在$V_G$输出 3.3V 时，$V_{OUT}=0.05V$；

12bit DAC的输出范围码字为0 — 4096，对应 0.05V 和 20.21V，那么一个码子对应的电压值为0.005V，即理论调压精度为5mV。

但是BUCK芯片是有压差要求的，且 TPS56637 最高输出电压为13V，因此DAC的最低输出电压$V_{G_{MAX}}=1.18V$。

3.2 软件效率优化

在我们这个应用中，因为输入电压来源于快充充电器，所以可以获取到范围内的所有电压值。

那是否会有一种控制算法
根据输出电压值，先粗调一个输入电压值，再通过BUCK精调，保证BUCK工作在最高效率下呢？

题主认为这种方式肯定是必须且有成效的，但是这部分还没有完成，完成了会贴出来，并附上测试结果。

3.3 PCB & 渲染图

根据上述的原理图layout，BUCK电路对应下图中红框的位置。

4 测试

4.1 测试环境

上图中将BUCK的 MODE 引脚接地，从而使BUCK进入 ECO模式，在轻载下获得更高的效率

在实际应用中，MODE 引脚由MCU的GPIO控制（但是这块板的MCU刚刚炸掉，所以就简单粗暴的短接到GND了）

4.2 简单测试

DAC电压为3.197V时，BUCK输出电压1.941V
DAC电压为0V时，BUCK输出电压为13.97V

4.3 进一步的测试待更新…

总之先简单的验证一下这个电路能用吧，具体效果怎么样后面再更新

后面的打算换一款板子，把MCU焊好之后再测试。

5 本系列其它文章（或更新计划）

如果已经更新，下面会出现超链接

硬件：

• MCU —— STM32G431CBU6
• 调压BUCK电路 —— 基于TPS56637（本文）
• 功率计电路 —— 基于INA233
• 理想二极管开关电路 —— 基于LM73100
• 电子保险丝电路 —— 基于TPS25974
• PD3.0（PPS） SINK电路 —— 基于STUSB4500
• 旋转编码器 & 蜂鸣器电路 —— 基于EC11和SS8050
  .

软件：

• STUSB4500 —— BSP程序开发
• INA233 —— BSP程序开发
• EC11编码器 &蜂鸣器 —— BSP程序开发
• LVGL —— 图形库移植与应用开发
• FreeRTOS —— 移植与应用开发
  .

其它：

• 外壳设计及加工
• 元器件及结构件的选择
  .

相关文章：

• PPS（PD3.0）快充SINK模块 — 基于STUSB4500

6 参考资料

[1] 数控降压电源模块DCDC| 5A，LCD显示 —— 卓晴
[2] XL4015-ADJ 5A 大电流DC-DC原理图分享 —— 苏守坤
[3] TPS56637 DATASHEET