LM2596简易数控电源

项目背景

       随着国家对科技发展的支持，越来越多的年轻人投入电子制作，将电子制作看作自己的爱好，而对于电子制作，可调电源即是一个离不开的话题，面对市面上价格高昂，让我望尘莫及的电源，我则是选择自己去DIY一台属于自己的电源，结合最近对单片机和基础BUCK电路的理解，我制作了这款STM32驱动的简易数控电源，它是一款低成本且安全易用的可调电源，采用TypeC输入之后PD诱骗方案，输出支持5-20v线性电压调节，同时机器也配备了5v 3.3v 1.8v固定电源输出接口，方便广大电子制作爱好者和电子工程师在多种场景下使用。

硬件介绍

主控芯片

       本项目采用STM32F103模块作为主控制器（见图1），该模块主频高达72Mhz，保障用户操作流畅，同时有较多的GPIO口可供使用，可以用来连接CH224K快充诱骗芯片，同时内部集成了12位ADC模块和PWM输出，具有低成本、高性能等特点，应用场景广泛。

图1-1 STM32F103C8T6模块

图1-2 LM2596-ADJ模块

电源芯片

       本项目在电源设计方面采用了多种电源芯片以满足不同设备的供电需求。首先，TypeC输入经过诱骗处理后可得到20V电压，该电压再通过LM2596-ADJ芯片（见图1-2）进行调节，能够灵活输出用户所需的5V至20V之间的任意电压。 此外，20V电压经过LM2596-5.0芯片将输入电压降压至5V，为单片机提供稳定的电源。同时，项目中还使用了AMS1117-3.3和AMS1117-1.8芯片，分别用于直接输出3.3V和1.8V的电压，以满足特定得供电要求。

显示屏

       显示屏选用1.8英寸TFT LCD彩色显示屏（见图2），采用ST7735驱动芯片，分辨率为160像素×128像素，采用8线SPI串口通信，具有显示效果好，同时成本相较于单色OLED也更低，占用接口少，功率低等特点。

图2 TFT LCD彩色显示屏

电路设计

主控电路

       主控电路如图3所示，直接使用了stm32最小系统板，方便焊接，也简化了电路设计，主控电路同时包括了单片机供电电源设计，屏幕部分等，电源设计遵循LM2596-5.0数据手册的所述，保障在输入电源即使波动或者高电压的情况下，单片机依旧可以正常工作，同时该电路也设计了4个按钮，用于用户操作 人机交互。

图3 PCB1

电源电路

       如图4所示， PCB2是电源电路，Typec输入经诱骗后直接给LM2596-ADJ，这个电源芯片的FeedBack反馈引脚用于监测输出电压并将其与内部基准电压进行比较，从而调整输出电压的大小，获得用户需要的最佳电压。同时Typec输入也会直接给到LM2596-5.0，经降压后输入到AMS1117芯片获得3.3和1.8V电压，见图5

图4 PCB2

图5 PCB2补充

电压电流采集电路

       电压采样部分，使用10k和100k的电阻并联并接到GND和输出的两端，这样使用STM32内置的ADC即可采集10k电阻的电压，再通过计算得到所需电压，理论上，最大可以测到33V电压，见图6。

       电流采样部分，使用了来自德州仪器的INA180A电流检测放大器芯片，该，首先被检测的电流会通过一个极小的电阻，而后再使用INA180A芯片监测该电阻的分压用来计算通过的电流。

图6 电压采样

图7 电流采样

连接电路

       两块PCB预留孔位，用来相互连接，将stm32的ADC引到PCB2上实时检测电压电流，将STM32的3个引脚配置为推挽输出模式并通过线连接到CH224K的CFG引脚上，用来实时改变诱骗电压。

PCB设计

       本项目中PCB分为两块，以实现功能的高效划分和设计的模块化，同时也可便于后期对电源板或者控制板单独升级维护， PCB见图8图9，控制板PCB采用双层板设计，同时将部件的摆放尽可能的设计规整，使其看起来小巧而不突兀，最终PCB大小设计为85mm×55mm。电源PCB设计如图9所示，采用四层板设计，便于layout，在保证大电流走线短的前提下尽可能的将元件保持对称，使其看起来美观简洁，集颜值与功能与一身。

图8 控制板PCB设计

图9 电源板PCB设计

外观设计

       本项目在进行外观样式设计时，着重考虑了用户使用习惯，在上层板上，左侧集成了TFT显示屏和4颗按钮，右侧则是放置了电位器用来控制2个通道的输出电压，上层最右侧放置了4个输出端口，用于大功率和高电压的输出，下层板右侧采用了4个排针输出端口，用来连接杜邦线进行小功率小电压的输出，分别有1.8V，3.3V，5V。

       主体外观是一个87mm*57mm*35mm的白色长方体，外部是经过细致打磨的3D外壳，见图10，预留有散热孔和部分镂空设计，4通道引脚输出接口以及4通道KF301大功率输出接口，TypeC接口。外壳内部，上下PCB由铜柱支撑连接，方正，线条明朗，给人一种稳重、可靠的感觉见图11，这种设计不仅美观，还便于放置和使用，在任何环境和桌搭下都不会显的太过突兀，适合实验室、学校宿舍、教室等多种工作环境。

图10  3D外壳渲染

图11 内部结构实物图

程序设计

       本项目使用Keil5进行程序开发，主要基于STM32单片机实现一款可调数控电源的功能。其大概思路是STM32通过自身ADC获取对应线路的电压值，再根据电压值计算得到电流、功率等参数，并将这些参数显示到屏幕上。同时，利用按键实现不同模式的切换以及参数的调整，通过PD协议诱骗功能实现获取大电压，还具备PWM以及多种保护机制，以确保电源的安全稳定运行。

显示与交互

       根据当前的显示模式，将计算得到的电压、电流、功率等参数格式化后显示到LCD屏幕上。不同的显示模式对应不同的信息展示，如模式0显示基本的电压电流功率信息，模式1用于调整调整限制电压和电流，模式2用于显示功率随时间变化的坐标图（正在测试），模式3显示设备信息等。

交互部分采用了四颗按键，程序实时检测按键的状态，根据按键的不同组合实现模式的切换、参数的调整、PD协议的切换、PWM频率和占空比的设置等功能。按键的处理逻辑较为复杂，需要考虑按键的程序消抖以提供良好的用户体验。

保护机制

       本项目设计了充足的保护系统，防止电流过大或短路等，首先是LM2596-ADJ自身支持TTL断电能力以及过热保护 限流保护，其次，软件内部，用户可以设置限制电压和电流的阈值，当实际输出的电压或电流超过这些阈值时，系统会发出警告，并及时自动相应的保护措施，如断电等，以保护连接的设备和电源自身不会被大电压击穿或大电流烧毁。

看门狗机制

      为了防止程序出现死机或异常情况，启用了独立看门狗功能。通过定时喂狗，确保系统能够在出现异常时自动重启，恢复到正常的工作状态，提高了系统的可靠性和稳定性。

PWM机制与PD协议诱骗机制

       为了使电源能够适配不同的PD设备，设置了PD协议诱骗功能。通过控制单片机引脚对CH224K芯片的3个CFG引脚输出不同的电压组合，如图12，模拟不同的PD协议配置，使电源能够被不同设备正确识别和使用。

图12 PD协议配置

       PWM部分，通过设置定时器的参数，生成不同频率和占空比的PWM波形，将PWM输出引脚连接至LM2596-ADJ的使能引脚。即可在输出端获得PWM波形，方便用户直接实现PWM调光，风扇驱动等。

显示屏显示

       在主页的设计中，将显示屏分为左右侧2块区域，其中左侧为120*128像素，主要显示两个不同的电压电流以及整机总功率，右侧为40*128像素，主要用于显示PD以及PWM配置信息，从上到下有PD诱骗电压，PWM频率，PWM占空比，所限制的电压电流，具体如程序1，图13所示。

图13 主页

成品展示

       完成所有的软硬件设计后，还需进行焊接，组装，调试，3D外壳设计等工序，最终成品如图14所示，图15为实机测试，测试负载为汽车上卸下的lcd灯板，预设电压为15V左右，灯板正常发光，电流检测与电压检测也正常显示，同时机器也尚未严重发热，可见其性能优良。

图 14 最终的成品

图 15 采用15V电压驱动12V的LED灯板

结语

       本项目历时40天完成第二代产品，相较于第一代，第二代在功率提升、外观优化、电流检测准确性提高、走线修正、功能增加等方面进行了全面改进，为了美观，采用双层板加铜柱连接的方案，铜柱即有支撑的作用，也有传输电力的作用，为了提高功率，采用将电源板和功率板分开设计，方便电源板走线，同时也减少两个模块互相干扰。为了增加功能，在软件层间加了电压电流限制，在硬件层面添加了2颗AMS1117以及1颗LM2596-5.0用以输出5.0/3.3/1.8V的电压，为了提高测电流准确性，采用了INA180芯片，为了提高显示密度同时降低成本，将1.3寸OLED替换为1.8寸TFT屏，创作过程中，也遇到过很多困难，最终查资料，查技术文档，看网课，查数据手册，询问专家和AI，好在最终也是成功解决，完成了第二代可调数控电源的所有设计以及开发。对于这款产品，我还是相当满意的，其广泛的应用场景注定了它“永不吃灰”，无论你是12V的补光灯驱动，又或是9V电压当“应急电池”，亦或是4.2V电压充当锂电池充电器，他都能完美胜任，可谓是解决你生活或是个人DIY中一切用电烦恼

图19 第一代数控电源

复刻建议：本项目软件部分还在修缮中，尚未发布，硬件部分，制作PCB时可以将四个角的开孔直接换成焊盘，本项目提供的过孔，在极少情况下，可能存在上下板电源接触不良的情况，影响使用，建议还是改一下。然后上下PCB使用M3（28mm）螺丝进行固定连接。