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一.前言：

根据之前的四开关Buck-Boost拓扑文章，那么现在我将从零到一设计一个DCDC电源。 文章具体：四开关Buck—Boost拓扑讲解_四开关单电感buckboost讲解-CSDN博客

二.摘要

本文设计一款 USB-PD 输入的数控直流电源，主控选用 GD32F103RET6（当然这个芯片对于这个产品来讲戳戳有余，如果想降低成本完全可采用其他芯片，我是为了了解国产芯片的代码所以选用这个芯片），功率控制器采用宝砾微 PL5501 四开关同步 Buck-Boost 拓扑。本设计简化控制算法，采用单环 PID输出电压可调范围 2~30V，硬件分层保护，适用于实验室恒流供电、元器件老化测试等场景。整机由 PD 诱骗模块、功率变换主回路、主控采块电路构成，兼顾稳定性与调试难度。输入功率100W,输出功率最高可达70W(效率70%）。

三.总体方案架构与选型

重点元器件选型（后续均围绕这些来设计电路）：GD32F103RET6,CH224K,PL5501,两个SCT2330TVRBS（buck降压），两个ME6211(LEO)，INA226(电流采集）。

通过PD 20V 诱骗输入模块、PL5501 四开关 Buck-Boost 功率主回路、GD32 主控模块、电压电流采样来实现数控功能。

1. PD 诱骗单元：CH224K 完成标准 USB-PD 20V 档位协商，为后级功率回路提供稳定输入；采用 C to C 带 E‑Marker 线缆实现可靠 PD 握手；
2. 功率拓扑：单电感四开关同步 Buck-Boost，可实现升压、降压变换，满足 2~30V 宽电压输出范围；
3. 主控单元：GD32F103RET6 采集输出电流采样数据，运行单环 PID 闭环，芯片输出 PWM 经 RC 滤波送入 PL5501 VADJ 引脚；VADJ 用于调节输出电压；
4. 采样保护单元：INA226 采集输出电压、电流；PL5501 硬件限流作为底层兜底，MCU 软件实现精准恒流控制。

核心设计思路：电压由 PL5501 硬件环路调节，电流采用 MCU 单环 PID 闭环省去电压外环，降低算法调试工作量。

四.硬件电路详细设计（原理图参考）

重点供电电路设计：2个Buck电路，2个LDO电路，1个四开关Buck-Boost电路，GD32最小系统。

下面是我设计的原理图，我们一步步来拆解它

1. PD 输入诱骗电路

CH224K 配置：CFG1 接地、CFG2 接芯片 VDD (3.3V)、CFG3 接地，固定协商 PD 20V。 ⚠️关键约束：仅支持 Type‑C 口标准 PD 充电器，搭配带有E-Maker的c to c数据线。cc1与cc2最好各串联5.1K的电阻接地 。(如果设计不通可以买专门的诱骗模块搞定）

2.Buck降压回路

依据之前我介绍的讲解，通过SCT2330TVRBS降压芯片来完成设计，这里电感我选择100uh。

承接PD 20V高压输入，通过同步降压芯片将高压转换为稳定5V电压，为后续LDO电路、INA226采样芯片、PD诱骗模块提供基础工作电源。该Buck电路具备输入高压适配、过载保护、低纹波输出特性，规避了高压直接供电带来的器件烧毁、电压波动问题，为整机辅助系统提供可靠前置供电保障。

3.LDO回路

选用ME6211芯片来完成设计

LDO线性稳压电路作为精准供电单元，将Buck电路输出的5V电压进一步稳压滤波，输出纯净3.3V电压，专门为GD32主控、I2C通信、ADC采样、PID控制等精密弱电模块供电。相较于开关电源，LDO电路输出电压纹波极低、无高频干扰，彻底避免开关电源噪声对高精度电压电流采样、闭环PID调节造成的数值漂移与控制抖动问题，大幅提升整机调压精度与系统稳定性。

4.PL5501 功率主回路设计

PL5501 为单电感四开关 Buck-Boost 控制器，外围器件参数核算如下：

1. 功率器件：NCE40H12K（40V 耐压低内阻 MOS 管），降低导通损耗；功率电感选用 6.8µH，饱和电流满足峰值工况，防止磁饱和；电感的具体计算公式为：
2. 电流采样（Kelvin 四线采样）
   • 输入采样电阻 R3=10mΩ：PL5501 内置 V_ISAT=40mV，硬件限流 \(I=40mV/10mΩ=4A\)，保护 PD 适配器、输入线材，防止前级过载；
   • 输出采样电阻 R14=5mΩ：硬件硬限 8A，预留安全余量。
3. 调压调流引脚：VADJ 接收 GD32 PWM 滤波模拟电压，调节输出电压,实现调压闭环；IADJ 引脚固定配置，不参与软件闭环控制。

5.GD32F103RET6 系统：

1. ADC：采集电位器信号，设定目标输出电压；
2. PWM：两路 PWM 输出，RC 滤波后分别接入 VADJ；
3. I2C：驱动 INA226，读取实时输出电压、电流；
4. GPIO：控制 PL5501 EN 引脚，实现功率回路使能 / 关断。

6. 四层 PCB 布局

pcb布局也有讲究，功率线最好20mil，保证输入输出的稳定性，在此我只放我的顶层走线，具体4层板内部与底层均在我开源的文件中，请自行考察。

五.软件控制方案（单环 PID ）

Keil MDK + GD32 HAL 库，完成工程配置、编译、在线调试与烧录。

本设计仅使用电压单环 PID 闭环，无电流闭环（当然硬件层面完全运行双环pid控制电流电压，为防止出错我在此只使用单环pid）：

1. 用户通过电位器设定目标输出电压；
2. GD32 读取 INA226 采集的实际输出电压，运行单环 PID，运算结果转换为 PWM 占空比，RC 滤波后送入 PL5501 的 VADJ，形成稳压闭环；
3. 实时读取输出电流，计算实时输出功率，若功率＞70W，自动下调目标输出电压，实现最大功率钳位 70W；
4. IADJ 固定电平，不参与软件调节，电流仅做监测，不做恒流控制。

主程序执行流程

1. 上电初始化：ADC、I2C、PWM 外设初始化，PID 参数初始化，拉高 EN 使能 PL5501；
2. 数据采集：ADC 读取电位器设定电压；INA226 读取实时输出电压、电流；
3. 功率判定：计算输出功率，超过 90W 则降低目标电压，限制输出功率；
4. 单环 PID 运算：对比目标电压与实际采样电压，更新 PWM 占空比，输出至 VADJ 完成稳压调节；
5. 故障判定：触发过压、硬件过流保护时，拉低 EN 关闭功率输出；
6. 循环迭代，持续闭环调节。

六.整机性能指标

整机实测：输出电压可在 2~30V 平滑连续调节，负载变化时，电压单环 PID 可快速抑制电压波动，稳压效果良好；当负载增大使得输出功率接近 70W 时，电源自动降电压限功率，不会超出额定上限；短路工况下 PL5501 触发打嗝保护，硬件兜底安全可靠。

输出三路：3.3V / 5V / 可调电压

7.总结

以上是我独立设计的一款DCDC数控电源，本项目我直接开源，大家可以自行下载制作，对新手比较友好（可以锻炼自己的硬件和软件动手能力），成本在100元作用，目前功率最大70W。其实想提升功率很简单，只需要在电路版上将R3 由 10mΩ 改焊为 8mΩ，这样输出可接近90W。我是为了保险才降功率，代码实在写不来也可以多用用AI agent。整体而言，本数控电源完成了从理论参数核算、硬件匹配修正、协议原理辨析、控制算法精简、功率极限定标到最终稳定落地的完整工程优化，是一套适配自身硬件、逻辑自洽、可靠性高的小型宽压数控直流电源方案。开源文件在这：
链接：https://pan.quark.cn/s/d4375bbe715d
提取码：Xr1S