以下是一个基于单片机的可编程电源系统设计方案及关键技术实现步骤：

一、系统架构

   [用户输入] → [MCU] → [DAC/PWM] → [功率变换] → [输出]
      ↑          |          |              |
      |        [ADC] ← [电流/电压检测] ← [反馈网络]
      |          |__________|
  [显示界面]      [PID控制]

二、核心硬件设计

1. MCU选型：

   • 推荐STM32F4系列（带12位ADC/DAC，支持PWM死区控制）
   • 关键外设：
     • 16位定时器（生成PWM）
     • 12位以上ADC（双通道采电压/电流）
     • DAC或高分辨率PWM（基准生成）
     • UART/USB/CAN（通信接口）

2. 功率拓扑：

   // Buck拓扑示例
   MCU_PWM → MOSFET驱动 → [MOSFET] 
                      → LC滤波器 → 输出端
                      ↗电流采样电阻

3. 关键电路：

   • 电压采样：0.1%精度分压电阻 + 运放缓冲
   • 电流采样：
     • 低端采样：高精度差分运放(如INA240)
     • 高端采样：霍尔传感器(ACS712)
   • PWM转模拟：二阶RC低通滤波(fc=10kHz)
   • 保护电路：比较器硬件过流保护(响应时间<2μs)

三、软件控制流程

void main() {
  初始化外设();
  while(1) {
    float Vset = 读取设定电压();  // 从通讯接口获取
    float Ilim = 读取电流限制();

    // 实时采样（1kHz更新率）
    float Vout = ADC_采样(电压通道) * 校准系数;
    float Iout = ADC_采样(电流通道) * 增益;

    // PID计算（位置式算法）
    float error = Vset - Vout;
    integral += error * dt;
    float duty = Kp*error + Ki*integral + Kd*(error-last_error)/dt;
    last_error = error;

    // 电流限制
    if(Iout > Ilim) duty -= 限流补偿算法();

    // 更新输出
    TIM_SetCompare(duty * PWM_MAX);  // 设置PWM占空比
  }
}

四、关键技术实现

1. 高精度控制：

   • ADC过采样技术提升分辨率（16次采样→14bit有效位）
   • PWM分辨率：250kHz开关频率+12位PWM → 0.025%调节步进
   • 温度补偿：NTC监测MOSFET温度，动态修正Rds(on)

2. PID优化：

   // 抗积分饱和处理
   if(duty > DUTY_MAX) {
    duty = DUTY_MAX;
    integral -= error * dt;  // 反向复位
   }

3. 数字滤波：

   // 滑动平均滤波ADC采样
   #define FILTER_SIZE 8
   uint16_t adc_buf[FILTER_SIZE];
   float adc_filter(uint16_t new_val) {
    static uint8_t idx = 0;
    adc_buf[idx++] = new_val;
    if(idx >= FILTER_SIZE) idx = 0;
    return average(adc_buf);  // 计算均值
   }

五、通信协议设计

采用MODBUS-RTU格式示例：

请求： 01 03 00 00 00 02 C4 0B
响应： 01 03 04 13 88 07 D0 [电压=5.00V 电流=2.00A]

六、安全保护机制

1. 三级过流保护：
   • 软件限流（ms级）
   • 硬件比较器（us级）
   • MOSFET熔断保险丝
2. 看门狗电路：

   IWDG_Init(0x0FFF, 256); // 1s超时
   while(1){
    IWDG_Feed();  // 主循环喂狗
   }

七、系统优化方向

1. 负载调整率：<0.05%（增加前馈补偿）
2. 波纹抑制：同步整流+多级π型滤波
3. 动态响应：采用状态空间控制算法

实测要点：需校准0-100%全量程点（尤其注意10%以下小电流精度），建议采用24位校准系数存储于Flash：

typedef struct {
  float v_gain;   // 电压斜率校准
  v_offset;     // 零点偏移
  uint16_t crc;  // 校验码
} CALIB_DATA;

八、材料成本控制

• 基础版：STM32F103C8T6 + IR2104驱动 + IPP60R040P7 MOSFET
• 高端版：STM32G474（带硬件过流保护）+ 数字隔离器（ADuM1410）

该系统可达到：0-30V/0-5A输出，0.1%设定精度，10mV负载调整率，支持恒压(CV)/恒流(CC)自动切换。开发时注意功率地/信号地分离布局，大电流路径使用开尔文连接。