电源-手把手教你基于STM32的BUCK电路高端电感电流闭环控制（同步整流+高端电流采样）

基于 STM32F103C8T6 的同步整流 BUCK 降压电源，输出电压 10V 可调，带电压/电流双采样、增量式 PI 闭环、过压过流保护与继电器切断。这个同学主要拿来验证 BUCK 拓扑和高端电流采样方案，硬件原理图 + 软件源码交付。

一、需求与指标

客户给的设计要求很清晰：

主控：STM32F103C8T6
拓扑：BUCK 变换器，同步整流
闭环：增量式 PI 追踪输出电压，按键步进调节目标电压
采样：输出电压 + 电感电流双通道采样
频率：PWM 开关频率 20kHz，电流采样频率 50kHz
保护：输出过压（13V）、过流（3A）时继电器切断
交互：OLED 显示、4 个按键、串口输出电流波形

整体原理图

二、硬件方案

2.1 供电与主控

输入采用 DC005-2.5 座子，额定 12V 输入
经 LM2596S-5.0 先降到 5V，给 MOSFET 驱动、继电器、运放等供电
主控板为 STM32F103C8T6（原理图标注为 STM32F401RCT6，实际代码基于 F103 标准库）

2.2 同步整流 BUCK 主电路

功率级采用 IRF3205PBF 大电流 N-MOS，上下管互补驱动，电感 1mH，输出电容 220uF×2 + 100nF。同步整流相比二极管续流，低压大电流时效率更高、发热更低。

驱动芯片选用 IR2104S，半桥驱动器，带自举电容和死区控制。MCU 通过 PA8 输出 PWM 到 IR2104S 的 IN 脚，IR2104S 输出 HO/LO 分别驱动上、下管。

BUCK主电路

2.3 高端电流采样

电感电流采用 INA282AIDR 电流检测放大器做高端采样，采样电阻 10mΩ，差分放大后送 MCU 的 ADC。INA282 固定增益 50V/V，共模范围宽，适合 BUCK 高侧电流检测。

输出电压则通过电阻分压 + 运放缓冲后送 ADC。

采样电路

2.4 控制与保护

按键：ADD / REDUCE / SET / MODE（CHOICE），对应 PB12~PB15
继电器：过压/过流时切断主回路，由 PA 口控制
串口：板载 CH340C，用于输出电流波形，波特率 921600
OLED：IIC 接口，用于显示电压、电流、目标值

控制保护

三、软件设计

3.1 定时器与 PWM

TIM1 产生 20kHz PWM，ARR=3599，PSC=0，对应 72MHz / 3600 = 20kHz。PWM 输出到 PA8，带更新中断，每 20 个周期（即 1ms）执行一次 PID 运算。

#define BUCK_ARR 3599
#define BUCK_PSC 0
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = BUCK_ARR;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = BUCK_PSC;

3.2 ADC 与 DMA

ADC1 双通道循环采样，通道 0（PA0）采集输出电压，通道 1（PA1）采集电感电流，DMA 搬运到数组 ADC_ConvertedValue[2]，不占用 CPU。

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 2, ADC_SampleTime_239Cycles5);

3.3 增量式 PI 闭环

PID 采用位置累加 + 增量输出结构，每 1ms 调节一次 PWM 占空比：

float buck_pid(float NOW, float Target, float SIGNLE_ADD_NUM_LIMIT,
               float SUM_OUTPUT_NUM_LIMIT, float kp, float ki)
{
    pid1.Pv = NOW;
    pid1.Ek = Target - pid1.Pv;
    pid1.Pout = kp * (pid1.Ek - pid1.Ek_1);
    pid1.Iout = ki * pid1.Ek * pid1.T / pid1.Ti;
    pid1.OUT_Single = pid1.Pout + pid1.Iout;
    // 限幅
    if(pid1.OUT_Single > SIGNLE_ADD_NUM_LIMIT) pid1.OUT_Single = SIGNLE_ADD_NUM_LIMIT;
    else if(pid1.OUT_Single < -SIGNLE_ADD_NUM_LIMIT) pid1.OUT_Single = -SIGNLE_ADD_NUM_LIMIT;
    OUT += pid1.OUT_Single;
    if(OUT > SUM_OUTPUT_NUM_LIMIT) OUT = SUM_OUTPUT_NUM_LIMIT;
    else if(OUT < 0) OUT = 0;
    pid1.Ek_2 = pid1.Ek_1;
    pid1.Ek_1 = pid1.Ek;
    return OUT;
}

主循环中，按下启动键后使能 PID，目标电压 Target_V 默认 10V，ADD/REDUCE 键以 0.1V 步进调节。

3.4 保护逻辑

当输出电压超过 13V 或电流超过 3A 时，立即关闭 PWM、断开继电器，并回到待机状态，需重新按键启动。

if((DC_V > V_yuzhi) || (DC_I > I_yuzhi))
{
    SW_OFF;
    SD_OFF;
    protect_status = 1;
    sw_status = 0;
    pid_mode = 0;
    goto loop;
}

四、调试要点

死区时间：IR2104S 配置死区约 40ns，避免上下管直通
采样同步：电流采样频率 50kHz 高于 PWM 20kHz，可在 PWM 周期内多次采样取平均
PID 参数：本项目 kp=0.01, ki=1，输出限幅 0~3599，响应平稳无明显超调
自举电容：IR2104S 的 C49（2.2uF）要给足，否则上管驱动不足

五、交付资料

完整 Keil 工程源码（STM32F103C8T6 标准库）
原理图 PDF
测试视频
元器件 BOM

有类似 BUCK / BOOST / 双向 DCDC 电源定制需求的，可以评论区留言或点侧边栏“资料获取”进群交流。

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