一、项目介绍

本项目的目的是设计并实现一个可调降压电源，其输出电压可以根据需要进行调节。该系统适用于需要不同电压供电的电子设备，并且能够快速响应负载变化。

1.1 硬件介绍

本项目采用的核心硬件是 Microchip 的 dsPIC33CK64MC105 Curiosity Nano 评估板。该板是以 dsPIC33CK64MC105 数字信号控制器为核心，提供了丰富的外设和接口，非常适合电源控制、信号处理和电机控制等应用。主要硬件组成如下：

• 主控制器：dsPIC33CK64MC105 (100 MHz dsPIC DSC)
• 功率拓扑：同步降压转换器(Buck Converter)
• 输入电源：锂电池 3.7V
• 负载：300电机
• 关键外设：
• • ADC模块：采集输出电压与目标设定电压。
  • PWM模块：控制功率MOSFET开关。
  • 定时器：精确控制采样周期。
  • GPIO：用户按键采集。
  • UART模块: 调试日志输出。
• 用户接口：
• • 电位器：调节目标电压。
  • 按键：模式切换。
  • 串口：调试。

1.2 功能概览

• 输入电压：DC 4V–12V（兼容锂电池、直流电源）。
• 电压调节：输出电压 0 - 3.3V 无级可调.
• 闭环控制：基于PID算法的电压稳压控制。
• 串口监控：通过串口每秒输出当前调节电位器采样电压与输出电压。

1.3 设计思路

利用 dsPIC33CK64MC105 的高速 PWM 和 ADC 功能实现对降压电源的精准控制。通过ADC检测输出电压并与设定值比较，然后通过 PID 算法调节 PWM 占空比来稳定输出电压。

• 数字化控制：利用评估板的ADC实时采样输出电压，通过PID算法动态调整PWM占空比，实现闭环反馈。
• 模块化设计：
• • 功率级与控制电路分离，减少高频噪声干扰。
  • 通过GPIO扩展连接外部电位器调整输出电压。
• 电压调整：利用评估板的ADC实时采样电位器电压，将电位器电压设置为输出的目标电压值。
• 效率优化：PWM频率设置为10kHz，平衡效率与元器件尺寸及手上的测试设备。

二、功能实现

2.1 软件流程图

系统初始化后完成外设配置与参数加载，进入主循环执行按键检测，触发模式切换。每秒更新LED状态并记录日志。定时器中断驱动ADC采样，经PID算法计算后动态调整PWM占空比，实现电压闭环控制，同时支持模式切换与实时状态反馈。

2.2 实现过程

硬件连接：

• 将MOS管栅极连接至评估板的PWM输出引脚（RB15）
• 输出电压通过分压电阻接入ADC通道（RB2）
• 电位器中间端接ADC通道（RA0）用于设定电压

参考面包板接线示意图如下：

软件配置：

• 初始化PWM频率为10kHz。

• 配置ADC采样率为10ksps，使用软件控制触发转换。

• 配置串口输出

• 配置用户按键输入

• 配置LED控制输出

关键代码片段：

• 编写PID控制函数（比例系数Kp=100，积分Ki=1）

// PID参数结构体
typedef struct {
    float Kp;           // 比例系数
    float Ki;           // 积分系数
    float Kd;           // 微分系数
    float integral;     // 积分项累积值
    float prev_error;   // 上一次误差值
    float output_min;   // 输出最小值
    float output_max;   // 输出最大值
} PID_Controller;

// 初始化PID控制器
void PID_Init(PID_Controller *pid, float Kp, float Ki, float Kd, float min, float max) {
    pid->Kp = Kp;
    pid->Ki = Ki;
    pid->Kd = Kd;
    pid->integral = 0.0f;
    pid->prev_error = 0.0f;
    pid->output_min = min;
    pid->output_max = max;
}

// 计算PID输出
float PID_Compute(PID_Controller *pid, float setpoint, float input) {
    // 计算当前误差
    float error = setpoint - input;
    
    // 比例项
    float proportional = pid->Kp * error;
    
    // 积分项 (带抗饱和)
    pid->integral += error;
    
    // 积分限幅防止积分饱和
    if (pid->integral > pid->output_max) pid->integral = pid->output_max;
    else if (pid->integral < pid->output_min) pid->integral = pid->output_min;
    
    float integral = pid->Ki * pid->integral;
    
    // 微分项 (使用输入微分减少设定值突变的影响)
    float derivative = pid->Kd * (input - pid->prev_error);
    pid->prev_error = input;  // 保存当前输入值用于下次计算
    
    // 计算总输出
    float output = proportional + integral - derivative;
    
    // 输出限幅
    if (output > pid->output_max) output = pid->output_max;
    else if (output < pid->output_min) output = pid->output_min;
    
    return output;
}

// 初始化PID控制器
PID_Init(&pid, 100.0f, 1.0f, 10.0f, 0.0f, CCP1PRL*1.0f); // Kp, Ki, Kd, min, max

• 按键检测与消抖实现

// 按键检测函数
KeyEvent check_key_event(bool current_state, uint32_t *last_time, KeyState *key_state) {
    uint32_t current_time = currTick;  // 当前时间（毫秒）

    switch (*key_state) {
        case KEY_STATE_IDLE:
            if (!current_state) {  // 检测到按键按下（假设按下为低电平）
                *last_time = current_time;       // 记录当前时间
                *key_state = KEY_STATE_DEBOUNCE; // 进入消抖状态
            }
            break;

        case KEY_STATE_DEBOUNCE:
            // 检查是否达到消抖时间
            if (current_time - *last_time >= DEBOUNCE_DELAY_MS) {
                if (!current_state) {  // 再次确认按键仍处于按下状态
                    *key_state = KEY_STATE_PRESSED;
                    return KEY_EVENT_PRESSED;  // 返回按键按下事件
                } else {
                    *key_state = KEY_STATE_IDLE;  // 抖动，返回空闲状态
                }
            }
            break;

        case KEY_STATE_PRESSED:
            if (current_state) {  // 按键已释放
                *key_state = KEY_STATE_IDLE;  // 返回空闲状态
            }
            break;
    }

    return KEY_EVENT_NONE;
}

• 定时器回调实现

static void Timer_Callback(void)
{
    currTick++;
    target_voltage = adc->ConversionResultGet(Channel_AN0); // TODO: Replace with the ADC Channel you selected in the Pin Grid View
    current_voltage = adc->ConversionResultGet(Channel_AN1);
    
    if(automaticAdjustment) {
        uint16_t dutyCycle = PID_Compute(&pid, target_voltage, current_voltage * 2.0);
        UpdateDutyCycle(dutyCycle);
    } else {
        uint16_t dutyCycle = ((double) target_voltage / (double) MAXIMUM_INPUT_VALUE) * CCP1PRL;
        UpdateDutyCycle(dutyCycle);
    }
    
    adc->SoftwareTriggerEnable(); // Trigger the ADC conversion via software
}

三、功能展示

调压

带载测试

反馈补偿

四、总结

遇到的问题

1. 首先要吐槽的就是IDE，应该是很多人反馈过了，资源服务器都在国外，国内用户访问没有梯子不是慢就是各种报错。
2. 本来是打算做可调升压电源的，可惜由于没有电源方面的经验，制作的电路板没有限流保护，导致升压时很容易过流导致MOS烧毁。好在制作的电路板是支持 Buck - Boost 模式的。故只焊接 Buck 部分电路改为制作可调降压电源。

心得体会

本项目成功实现了基于dsPIC33CK64MC105的数字可调降压电源，展示了dsPIC33CK系列在数字电源控制中的强大能力，为开发高效、智能的电源系统提供了完整解决方案。通过灵活的数字控制算法，系统实现了传统模拟电源难以达到的精度和功能多样性。

虽然成功实现了可调降压及稳压功能，并通过反馈回路与PID算法实现输出电压的稳定控制。但未做额外的防护（例如：过流、过温等）、负载调整率测试、转换效率测试等。对于一个业余选手来着这些参数听着就头大，就留待以后慢慢探索吧！

最后感谢电子森林与得捷电子联合推出的 《Funpack》 系列活动，对于我来说是个很好的学习机会，理论结合实践。我们下期活动再见！

五、参考资料

• dsPIC33CK64MC105-Curiosity-Nano 用户手册
• dsPIC33CK64MC105-Curiosity-Nano 原理图
• dsPIC33CK64MC105 数据手册
• MPLAB X IDE 用户指南