UF4DigitalPower 下位机固件说明

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立创开源硬件：数字电源

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本仓库是 UF4 数字电源的下位机固件工程，面向基于 STM32G474CBT6 的四开关同步整流 Buck-Boost 数字电源控制板。

固件负责 ADC 采样、PWM 调制、Buck/Mix/Boost 模式切换、电压电流闭环、保护逻辑、USB CDC 通信、DAPLink 辅助烧录和固件版本发布。

注意： 由于焊接的水平不同和实际硬件的差异，作者不对任何人使用本项目造成的任何直接或间接损失负责，使用前请务必做好充分的风险评估和安全防护措施。

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目录

• 1. 项目总览
• 2. 硬件介绍
• 3. 下位机 C 代码解析
• 4. 借鉴代码与参考资料
• 5. 项目结构
• 6. 快速开始

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1. 项目总览

本项目是一套基于 STM32G474 的双向四管升降压数字电源

• 设计输入: 5V - 40V 10AMAX
• 输出范围: 0.5V - 40V，
• 功率拓扑: 四开关同步整流 Buck-Boost
• 正反向电流均可以到0-10A

固件提供电压/电流设定、实时状态上报、保护阈值配置、调试量读取和固件版本信息接口，便于接入外部控制或调试工具。

板载了DAPLINK(STM32F103)，如果您需要在线烧录固件，你还需要将DAPLink固件烧录到STM32F103上

注意: 作者使用的MOS可能不够理想 ，因此在高压低压两端的效率和稳定性可能不够好，你在可以选择更适合的MOSFET以提升性能。

实物图

2. 硬件介绍

当前作者测试使用到的硬件参数及其计算详情见 计算记录

2.1 主控与系统定位

• 主控 MCU: STM32G474CBT6
• 板载DEBUG: STM32F103C8T6（DAPLink）
• 栅极驱动器: UCC27211
• 辅助电源1: VIN->5V LMR36520F 用于运放，基准电压和风扇供电
• 辅助电源2: 5V->3V3 LM1117-3.3 用于MCU 与外设控制逻辑供电
• 辅助电源3: 5V->11.1V SY7304DBC 用于栅极驱动器供电

当前板卡定位是四开关同步整流 Buck-Boost 数字电源控制板，下位机负责控制、采样、保护和通信接口。

2.2 功率级与工作模式

当前功率拓扑是四开关 Buck-Boost，固件中划分三种模式：

• Buck

  • 输入明显高于输出
  • Buck 桥主调制
  • Boost 桥承担同步整流或固定导通辅助角色

• Mix

  • 输入电压接近输出电压
  • 两侧桥臂共同参与调制
  • 用于平滑跨越 Buck 和 Boost 边界

• Boost

  • 输入明显低于输出
  • Boost 桥主调制
  • Buck 桥承担同步整流或固定导通辅助角色

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当前 IOC 与固件约定中：

• HRTIM Timer A 对应 Buck 桥
• HRTIM Timer D 对应 Boost 桥
• PA8/PA9 为一组互补 PWM
• PB14/PB15 为另一组互补 PWM

2.3 栅极驱动与 Bootstrap 特性

项目使用 UCC27211 半桥驱动器。该器件高边驱动采用 bootstrap 供电思路：

• 高边供电使用 HB-HS
• 需要 HB-HS 自举电容,使用100nF的贴片电容
• 需要 HS 周期性回到较低电位，bootstrap 电容才能补电

这意味着在 Mix 或 Boost 模式中，如果某一侧高边长期接近常开，不给 bootstrap 刷新窗口，就可能出现高边驱动电压下跌，进而表现为：

• 模式不稳定
• 输入被突然拉低
• 无法顺利进入 Mix / Boost
• 模式反复抖动

因此控制代码中不能只看理论占空比，还必须兼顾驱动器刷新条件。

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2.4 采样链路

当前固件的主要采样量如下：

• VIN
• IIN
• VOUT
• IOUT
• Board TEMP1
• Board TEMP2
• CPU TEMP

采样与换算特性：

• 电压采样采用分压进入 ADC，再由软件恢复真实电压值，使用 GS8558-SR 运放

• 电流采样基于 7 mΩ 分流电阻、20x 放大增益和 1.65 V 中点偏置,使用INA240A1 进行差分采样并放大

• ADC1 规则组用于 VIN/IIN/VOUT/IOUT

• 温度由 ADC2/ADC3/ADC5 配合 temp.c 完成换算 使用10k NTC热敏电阻

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2.5 辅助硬件

• 外部参数存储：W25Q64
• 风扇：TIM8_CH3 PWM 控制
• 三色 LED：红 / 黄 / 绿状态指示
• DIV_SW、驱动使能等 GPIO 作为板级辅助控制

2.6 PCB

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效率实测

3. 下位机 C 代码解析

本章对应当前实际参与运行的 C 代码。

3.0 代码简介

固件主体是一个面向四开关 Buck-Boost 数字电源的实时控制程序。代码按职责可以分为五层：

1. 板级外设层
   • 由 adc.c、hrtim.c、tim.c、gpio.c、spi.c、usart.c 等文件完成。
   • 负责 ADC 触发采样、HRTIM 互补 PWM、死区、风扇 PWM、Flash、USB CDC 和串口等底层资源初始化。
2. 采样与物理量换算层
   • 主要在 function.c 中的 ADCSample() 和 ADC_calculate()。
   • ADC1 采样 VIN / IIN / VOUT / IOUT，再经过校准参数、分压比例和电流采样比例换算成实际电压电流。
3. 状态机与保护层
   • 主要在 function.c。
   • StateM() 管理 Init / Wait / Rise / Run / Err 主状态。
   • ShortOff()、OVP()、OCP()、OTP() 负责短路、过压、过流、过温保护。
   • StateMRise() 负责软启动，当前输出参考从 0 开始爬升，同时逐步放开 Buck/Boost 最大占空限制，降低启动输入电流过冲。
4. 模式判定与切模准备层
   • 主要在 BBMode() 和 PowerControl_PrepareModeSwitch()。
   • 固件根据实际输出电压和输入电压关系切换 Buck / Mix / Boost。
   • 模式判定带回差，避免在临界点抖动。
   • 切入 Mix 时，Boost 支路和 PID 种子从当前硬件状态起步，避免理论占空直接注入造成突跳。
5. 快速闭环控制层
   • 主要在 pid.c 的 BuckBoostVILoopCtlPID()。
   • 由 HRTIM 快环中断调用，负责电流环、电压环、anti-windup、模式对应 duty 计算和 HRTIM 比较值刷新。
   • Buck、Mix、Boost 分别有不同的输出路径；Mix 区有独立补偿器初值、专用限幅和 anti-windup。
   • 电压环采样加入轻量 IIR 滤波，u0/u1 内部状态会按当前模式可实现占空范围限幅，避免隐藏积分跑飞。
   • 电流环加入 CC/CV 滞回、释放保持时间和更温和的 Vref 拉低/释放步进，减少限流边界抖动。

当前固件的主要实时节拍如下：

TIM6  1 ms   -> 毫秒计数、喂狗
TIM7  5 ms   -> ADC 平均、保护、主状态机、模式判定、UF4 流 tick
TIM16 10 ms  -> ADC 平均值换算成 VIN/VOUT/IIN/IOUT 浮点上报值
HRTIM 200kHz -> BuckBoostVILoopCtlPID() 快速闭环与 PWM 刷新

通信接口由 uf4_transport.c 承担。它把 UF4COM V3 数据 ID 映射到固件内部变量，支持参数设置、状态读取、实时流数据、固件版本信息和调试量上报。

3.1 总体执行结构

下位机执行节拍分为三层：

1. main.c

• 负责所有外设初始化
• 启动 ADC、DMA、USB、定时器、HRTIM、看门狗

2. TIM7 5 ms 中断

• 负责采样平均、保护、主状态机推进、模式判断、协议流 tick

3. HRTIM 快环中断

• 负责电流环、电压环、模式对应 duty 计算和 PWM 比较值刷新

整体上是“中断驱动 + 全局控制变量共享”的经典数字电源固件结构。

3.2 主要用户控制文件

Core/Src/main.c

作用：

• 系统入口
• 启动所有底层外设
• 启动风扇 PWM
• 启动 TIM6 / TIM7 / TIM16
• 启动 ADC 与 HRTIM
• 在主循环里运行慢速后台任务

关键点：

• TIM6 负责毫秒计数与喂狗
• TIM7 负责控制主节拍
• TIM16 负责把 ADC 平均值换算成物理量
• 主循环负责：
  • StatusLed_Update()
  • Update_Flash()
  • UF4Transport_RunTask()

Core/Src/function.c

作用：

• 保存全局控制变量
• 实现 ADC 平均
• 实现主状态机
• 实现 Buck / Mix / Boost 模式判定
• 实现 OVP / OCP / OTP / Short 保护
• 实现参数默认值、Flash 初始化与读写
• 实现风扇 PWM 控制
• 实现模式切换占空注入准备

核心职责可以分成六类：

1. 数据与状态变量

• CtrValue
• DF
• SADC
• SET_Value

2. ADC 采样平均

• ADCSample()
• ADC_calculate()

3. 主状态机

• StateM()
• StateMInit()
• StateMWait()
• StateMRise()
• StateMRun()
• StateMErr()

4. 模式切换

• BBMode()
• PowerControl_PrepareModeSwitch()

5. 保护

• ShortOff()
• OVP()
• OCP()
• OTP()

6. 辅助

• PowerControl_DisableOutput()
• FAN_PWM_set()
• Init_Flash() / Read_Flash() / Update_Flash()

当前重要变更也集中在这个文件：

• 已删除输入欠压保护
• 已删除固件自动风扇策略，改为通过通信接口控制
• 新增切模前 duty 预计算与注入准备

Core/Src/pid.c

作用：

• 实现双环控制
• 根据当前模式输出 Buck / Boost 支路占空比
• 直接刷新 HRTIM 比较寄存器

当前快环结构：

1. 电流环先生成电压参考修正量
2. 电压环再根据当前模式生成主 duty
3. 根据 Buck / Mix / Boost 决定：

• 哪一侧主调制
• 哪一侧固定占空或平滑逼近目标占空

4. 最后写入：

• Timer A Compare1
• Timer A Compare3
• Timer D Compare1

当前代码已经加入三类关键增强：

• Buck 模式下，Boost 支路对齐为同步整流安全占空
• Mix 模式进入改成平滑爬升，避免一刀切到高占空
• Boost 模式进入改成平滑爬升，避免 Buck 支路瞬时拉到极高占空

另外还增加了 TI 思路的切模注入：

• 切换到 Buck 前先按 D = Vout / Vin 计算目标 duty
• 切换到 Mix 前先按 D = Vout / (Vin + Vout) 计算目标 duty
• 切换到 Boost 前先按 D = (Vout - Vin) / Vout 计算目标 duty
• 切模时把 duty 与环路种子直接装入快环，避免沿用旧模式积分硬跳

Core/Src/uf4_transport.c

作用：

• 把固件控制变量绑定到 UF4COM V3 协议 ID
• 处理 USB CDC / USART DMA 收发
• 处理 READ / WRITE / REPORT / STREAM
• 负责把外部写入同步到控制变量

主要内容：

1. 固定传输端口选择
2. UF4 ID 表绑定
3. 读寄存器镜像刷新
4. 写寄存器应用
5. CDC / UART DMA 输入处理
6. 流发送调度

这部分是固件对外提供 UF4COM V3 控制与状态接口的桥。

Core/Src/status_led.c

作用：

• 按当前状态机、故障和输出状态更新三色 LED
• 保持项目当前定义的状态语义

该文件不参与功率控制本身，但负责把运行状态转换成板上可视反馈。

Core/Src/temp.c

作用：

• NTC 温度换算
• MCU 温度换算

它为 OTP()、上报温度和风扇控制数据源提供支持。

Core/Src/W25Q64.c

作用：

• SPI Flash 底层驱动
• 提供读、写、擦除接口

上层由 function.c 中的 Init_Flash() / Read_Flash() / Update_Flash() 调用。

3.3 主要 CubeMX/HAL 生成文件

这些文件大多由 CubeMX 或 HAL 模板生成，但在项目运行中实际承担关键底层角色，因此也应当纳入说明。

Core/Src/adc.c

• 配置 ADC1 / ADC2 / ADC3 / ADC5
• 定义采样通道、触发源、过采样、DMA 方式
• ADC1 是主功率量采样入口

Core/Src/hrtim.c

• 配置 HRTIM1
• 定义 Timer A 和 Timer D
• 配置死区
• 配置 ADC 触发点
• 配置互补输出引脚

这是功率控制的底层核心之一。

Core/Src/tim.c

• 配置 TIM6
• 配置 TIM7
• 配置 TIM8
• 配置 TIM16

其中：

• TIM6：1 ms
• TIM7：5 ms
• TIM16：10 ms
• TIM8_CH3：风扇 PWM

Core/Src/gpio.c

• 配置 LED
• 配置 PWM 引脚复用
• 配置 DIV_SW 等辅助引脚

Core/Src/usart.c

• 配置 USART1 / USART2
• 配合 UF4Transport 处理串口通信

Core/Src/spi.c

• 配置 SPI1
• 供 W25Q64.c 使用

Core/Src/dma.c

• 配置 DMA 控制器
• 为 ADC1 DMA、UART DMA 等提供底层支持

Core/Src/iwdg.c

• 配置独立看门狗
• 由固定节拍任务喂狗

Core/Src/stm32g4xx_it.c

• 中断入口
• 把 HRTIM、TIM、DMA、USB 等中断交给 HAL 和用户逻辑

Core/Src/stm32g4xx_hal_msp.c

• MSP 初始化
• GPIO AF、DMA 链接、时钟使能等底层板级装配

Core/Src/system_stm32g4xx.c

• 系统时钟基础支持
• 核心启动时钟框架

3.4 配套中间件与接口层 C 文件

除了 Core/Src，还有几类 C 文件同样是固件运行必需部分：

USB_Device/App/usbd_cdc_if.c

• USB CDC 收发桥接
• 把收到的 USB 数据转发到 UF4Transport_OnUsbCdcRx()

Middlewares / Drivers

• STM32 HAL
• CMSIS
• USB Device

这些代码不是本项目手写控制逻辑，但属于最终可运行固件的一部分。

3.5 当前固件实际调用链

可以把当前控制链概括为：

1. main.c 初始化外设
2. TIM7 周期调用：

• ADCSample()
• 保护逻辑
• StateM()
• BBMode()

3. HRTIM 快环中断调用：

• BuckBoostVILoopCtlPID()

4. UF4Transport

• 处理外部控制命令
• 回传状态与流数据

5. 主循环

• 更新状态灯
• 保存参数
• 处理通信后台任务

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4. 借鉴代码与参考资料

本项目不是从零开始完全自写。下面按“来源 -> 用到什么”列出。

4.1 直接借鉴的代码工程

参考代码 Buck-Boost-Digital-Power

这是当前 UF4DigitalPower 最直接的代码来源，借鉴内容包括：

• 控制变量组织方式
• 主状态机结构
• Buck / Mix / Boost 模式判定框架
• pid.c 的双环控制结构
• 软启动框架
• Flash 参数存储方式
• 温度换算与风扇 PWM 基础接口

当前工程并不是简单复制，而是做了以下方向上的重构：

• 从 D/F HRTIM 映射迁移到当前 A/D 映射
• 删除按键和 OLED 本地人机交互
• 改为基于 UF4COM V3 的外部控制接口
• 去掉 FMAC / CRC 硬件依赖，改为纯软件路径
• 修复多处模式切换、占空钳位、保护与上报问题

4.2 协议核心来源

UF4COM V3

借鉴内容：

• UF4COM V3 帧结构
• CRC16-CCITT
• TV 数据项编码
• READ / WRITE / REPORT / STREAM 交互范式

当前固件的 uf4_transport.c 基于这一协议核心实现控制、状态与流数据传输。

4.3 ST 官方工具链与自动生成代码

STM32CubeMX / STM32CubeG4 / HAL / CMSIS

借鉴内容：

• 外设初始化代码骨架
• HRTIM、ADC、TIM、USART、SPI、USB CDC 配置模板
• 中断框架
• HAL 驱动与启动文件

这些内容主要体现在：

• adc.c
• hrtim.c
• tim.c
• gpio.c
• usart.c
• spi.c
• dma.c
• stm32g4xx_it.c
• stm32g4xx_hal_msp.c

4.4 控制策略参考资料

TI官方文档 Multimode control for a four-switch buck-boost converter

标题：

• Multimode control for a four-switch buck-boost converter

借鉴内容：

• Buck / Buck-Boost / Boost 多模态 duty 公式
• 切模前先按目标模式计算 duty，再把目标 duty 注入控制环的思路
• 认识到模式切换时不应依赖旧模式积分慢慢追

当前项目里新增的“切模前预计算 duty 并注入”机制直接参考了这条思路。

ST官方文档 Buck-boost converter using the STM32F334 Discovery kit

标题：

• Buck-boost converter using the STM32F334 Discovery kit

借鉴内容：

• HRTIM 在 Buck-Boost 电源中的使用方法
• ADC 触发和 PWM 协调方式
• 高分辨率定时器在数字电源中的组织思路

4.5 器件资料参考

UCC27211 数据手册

借鉴内容：

• 半桥高边 bootstrap 驱动机制
• HB / HS / HO / LO 含义
• 高边长期近似常开时 bootstrap 刷新约束

这对当前 Mix / Boost 模式稳定性分析非常重要。

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5. 项目结构

UF4DigitalPower/
├─ Core/
│  ├─ Inc/
│  └─ Src/
├─ Drivers/
├─ Middlewares/
├─ USB_Device/
├─ docs/
├─ scripts/
├─ storage/
└─ UF4DigitalPower.ioc

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6. 快速开始

git clone https://github.com/UF4OVER/UF4DigitalPower_Firmware
cd UF4DigitalPower_Firmware
git submodule update --init
cmake --build cmake-build-debug -- -j4