#第十届立创电赛#ESP32-C3·MPQ4263 迷你可调电源

1、项目功能介绍

本项目设计了一款以ESP32-C3 MCU为控制器、采用MPQ4263 Buck-Boost拓扑进行电压变换的数控电源。主要面向12V/15V/20V PD诱骗或 12-24V DC电源供电的情况。

首先感谢嘉立创、瑞萨以及其他赞助商对于本届立创电赛的支持，为选手提供学习与实践的平台。再次感谢！

2、项目属性

项目首次公开；项目为原创；项目未曾经在其他比赛中获奖；项目未在学校参加过答辩。

3、开源协议

开源协议为CC BY-NC-SA 4.0 若使用该开源项目，请遵守开源协议！

4、硬件部分

4.1 基本特征

设备尺寸：L58 x W39.5 x H18 mm（不含编码开关、脚垫和香蕉母座 ~~经典外面不算体积~~）
输入电压VIN：12V ~ 24V
输出电压VOUT：1.6V ~ 34.352V（理想） / 1.8V ~ 32V（软件）
输出电流IOUT：0 ~ 5.4A（硬件） / 0 ~ 4A（软件）
控制精度：0.1V / 0.1A
输出精度：0.01V / 0.01A

说明：

输入电压过低时无法使能MPQ4263，系统无输出；电压过高时可能系统可能无法正常工作（高于辅助DC-DC电源有效输入）；
测量精度可达小数点后3位，但受制于TFT尺寸、控制效果的原因，软件仅保留小数点后2位显示、小数点后1位输出控制。

尺寸对比.jpg
与上一版本相比，本项目设计的电源在尺寸大大缩小。

4.2 机械结构

接口布局.jpg
设备的接口布局如上图所示。
其中，DC_IN与TYPE-C_IN用于电源输入，有效输入范围为11.5V ~ 24V。

零件图.jpg
电源的所有构成组件如上图所示。除PCB上元器件外所有零件明细见下表：

零件名称	数量	获取方式	备注
上壳	1	3D打印	本项目中采用拓竹A1 Aliz PETG耗材打印，见附件。
下壳	1	3D打印	本项目中采用拓竹A1 Aliz PETG耗材打印，见附件。
散热块	1	CNC	本项目中采用嘉立创CNC加工，见附件。孔径1.6mm能够自动识别为M2螺纹孔，若需要手动攻丝请选择为光孔。
1.54"TFT屏幕	1	-	插接 0.5mm间距 12P。
M2x7+3mm铜柱	4	-	-
M2x10螺丝	4	-	-
M2x4x2土八螺母	4	-	需要嵌入上壳中。
4mm香蕉母座	2	-	颜色不同。

详细机械装配结构见下文。
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4.3 硬件设计思路

4.3.1 电源主拓扑与选型

在上一版本的电源中，采用了Buck的拓扑结构，这一拓扑结构只能实现降压的控制，输出受到VIN的限制。为了获得更宽的输出范围，本次采用了Buck-Boost的升降压拓扑结构。在上一次的MPS征集令项目中，接触到了如MP4248、MPQ4263这样内置下管的Buck-Boost控制器，这样的结构能够大大减小DC-DC部分的footprint，与本次设计的迷你电源十分贴切。因此在本次的设计中，采用了MPQ4263作为控制器。除了内置下管外，MPQ4263还能够通过I2C进行通讯，能够减小FB电阻网络部分的设计。对于ESP32-C3此类没有内置DAC的MCU来说，这样的特征是极为有利的。

4.3.2 电源框架设计

本项目的电源框架设计大体与上一版本的电源保持一致，主要针对MPQ4263进行适配，并且解决了在上一版本电源设计中发现的硬件缺陷。详细的电源框架设计见：MP9928-ESP32C3 降压型便携数控电源 5.2 电源框架设计。

MPQ4263的外围元件简单，除了Buck-Boost必要的电感、电容与MOSFET外，仅需少量的阻容即可构建系统，利于迷你电源设计。

在输入部分，本次增加P-MOS构建了防反接、缓启动电路，以对系统进行保护。另外，在输出部分，上一版本系统中采用N-MOS控制负端开关的方案，实测关断时输出不能完全被切断、正段对地仍有电压，算是一个设计缺陷。因此在本次设计中采用Pull-Push结构构建开关，用于控制正端的输出，而负端始终接地保持0电位。

输出采样部分，为了节省元件并减少Layout面积，本次输出采样INA226与MPQ4263共用采样电阻。

4.4 控制结构设计

本次项目的控制结构设计大体与上一版本保持一致。详见：MP9928-ESP32C3 降压型便携数控电源 5.3 控制结构设计。

不同的是，本次对于DC-DC拓扑的控制并不是采用PWM实现的，而是通过I2C总线对MPQ4263寄存器写入。

4.5 MCU IO配置

本项目所需的IO如下表所示：

项目	IO名	IO数量	备注
SPI	SCK / MOSI / D/C / RSE	4	若要使用硬件SPI需要使用特定引脚
I2C	SCL / SDA	2	-
USB	USB_D+ / USB_D-	2	固定为IO19 / IO18
VADC	-	1	需要ADC1
OCTRL	-	1	-
KEY1	-	1	为方便烧录选择IO9 BOOT
编码器开关	KEY2 / KEYA / KEYB	3	-
Reserve	-	1	保留/未使用

最后分配IO表如下所示：

项目	IO名	IO号	备注
SPI	SCK / MOSI / D/C / RSE	6 / 7 / 4 / 5	使用软件SPI
I2C	SCL / SDA	20 / 21	使用硬件I2C
USB	USB_D+ / USB_D-	19 / 18	固定为IO19 / IO18
VADC	-	0	ADC1_CH0
OCTRL	-	3	-
KEY1	-	9	与BOOT功能共用引脚
编码器开关	KEY2 / KEYA / KEYB	2 / 8 / 10	-
Reserve	-	1	保留/未使用

IO的使用大体与上一版本一致。

5、软件部分

5.1 软件框架

软件框架.jpg

先前版本在定时器中断服务函数中对DC-DC控制量进行刷新，但是本次采用I2C总线进行通讯，无法在中断服务函数中完成（至少我碰到的是这样的情况），因此将MPQ4263的写入部分移入loop()中。

5.2 各模块设计介绍

本项目中大部分的模块设计沿用了上一版本设计。

5.2.1 TFT显示

本项目中，采用TFT_eSPI.h库进行显示驱动。使用方法较为简单，通过相应的函数绘制需要的文字、图形等即可实现。值得注意的是：

需要根据设备情况在User_Setup.h中更新对应设置
该库的正确调用需要在User_Setup.h设置对应的引脚、驱动型号、频率等参数，注意看注释说明。
刷新采用缓冲区的形式刷新
在之前的ESP32-S3数字电源项目中，同样使用了TFT_eSPI.h库。在之前的使用中发现刷新会出现频闪的情况，但没有找到解决方法（属于是学习不够到位）。在本次项目的设计过程中，发现了缓冲区的形式能够避免频闪情况。
通过createSprite()函数能够创建Sprite对象（缓冲区）。在后续的刷新中，可以对缓冲区内容进行更新，更新后再一次性发送缓冲区中的内容，避免频闪情况的出现。较为简单的形式是将整个屏幕创建为一个缓冲区，只对这个缓冲区进行编辑-发送。

5.2.2 非易失性存储NVS

NVS是ESP32中的一种功能，其能够将Flash中的部分区域划分为NVS，可在其中存取数据，这些数据不像RAM中的数据一样，不会在掉电后丢失。能够用来存储一些运行中可能会更改的、需要永久保留的重要设置信息（例如本项目中的PID参数、电压电流设置）。
通过nvs_flash_init()能够在Flash中划分出一定区域作为NVS，nvs_set_xx系列函数进行写入、nvs_get_xx系列函数进行读取，即可实现非易失存取。
NVS的储存形式为键值对，与Json的形式类似，对“键”进行命名，并在对应“键”存入“值”。
需要注意的是，ESP32-C3的NVS中只能存储整数型、以\0结尾的字符串以及可变长度的二级制数据。因此，例如PID设置参数这样的浮点型数据，需要转换成整数类型进行存储。

5.2.3 PID控制

本项目中的电压与电流输出的控制采用了PID控制的形式。PID使用的是理想的增量型PID，有数学式如下：

Δu = K_p[ e_k - e_{k-1} + \frac{T_s}{K_i}e_k + \frac{K_d}{T_s}(e_k - 2e_{k-1} +e_{k-2}) ]

输入PID参数、当前和前1-2时刻的误差值以及采样周期 $T_s$ ，即可得到控制量的变化量。
将PID封装为函数：

float PID_compute(float Vek, float Vek_1, float Vek_2, float Kp, float Ki, float Kd) {
  float delta_value;
  float Pterm = (Vek - Vek_1);
  float Itrem = Vek;
  float Dterm = ( Vek - 2*Vek_1 +Vek_2);
  delta_value = Kp*( Pterm + Ts/Ki*Itrem + Kd/Ts*Dterm );

  return delta_value;
}

值得一提的是，在本项目中输出电压VOUT的控制并不只是依赖PID控制（恒压模式）。当处于输出状态，并且VSET发生变化时，将根据设置值-输出电压关系计算一个设置值，再进行PID控制。设置值与输出电压存在有数学关系，参照MPQ4263 datasheet VOUT_COMMAND (21h)，可以推导得：

Value = V_{SET} / (0.0009765625 * {FB}_{ratio})

由此可以计算得到较为准确的设置值，之后再通过PID进行微调修正使输出更加准确。
要强调的是，这样的输出模式不宜叠加较大的PID控制效果，即Kp需要设置一个较小的值。

而恒流模式由于输出与负载有关，并不能通过单一的函数确定占空比与输出关系，因此仅采用PID控制调节输出。

5.2.4 MPQ4263、CH224Q、INA226写入/读取

以上三个对象通过I2C总线进行通讯。CH224Q设置请求电压值只需要通过I2C总线向其寄存器写入特定值；INA226需要向其寄存器中写入采样电阻值，并从寄存器中读取总线电压与差分电压值。
由于CH224Q只要向寄存器写入一位数据，因此只要使用Wire.h库进行简单操作；而INA226需要进行多次写入、读取操作，调用针对INA226封装好的库函数更加轻松，因此使用INA226.h库来完成被测量读取的任务。
需要注意的是MPQ4263较为特殊，需要采用PMBus的协议。简单来说，主机需要先发送从机地址，再发送从机寄存器地址（指令），然后才能进行传统意义的I2C读写。可以参照文章基于MPS的MPQ4263芯片I2C通讯可调电源，其中进行了相关描述。另外，需要仔细阅读MPQ4263 datasheet DIGITAL INTERFACE章节关于数字接口通讯的描述。

S = Start condition
Sr = Repeated start condition
P = Stop condition
R = Read bit
W# = Write bit
A = Acknowledge bit (0)
A# = Acknowledge bit (1)

这里详细说明下PMBus的通讯。很明显，都是基于I2C总线进行通讯的，相较于传统I2C通讯，从机寄存器地址被Command概念所代替。如上图所示，对于读取，需要发送从机地址、再发送Command Code对应传统I2C通讯的寄存器地址，接下来再向从机请求Command Code对应的数据；而对于写入，基本与传统I2C通讯无异，发送需要写入的从机地址、再发送Command Code接着发送要写入的内容。

开始帧内容由从机地址Address和读写位R/W#构成，需要注意的是，对于Arduino Wire.h库而言，读写位R/W#根据用户代码判断而不需要自行添加读写位，保持七位地址即可，对于MPQ4263，默认地址为0x67。

另外PMBus的数据格式也值得注意。主要有两种数据格式：Byte - 8位；Word - 16位。对于Byte而言，与传统I2C没有太大的区别；但是对于Word，其高低位读写方式与I2C相反，PMBus采用的是先低位、后高位的顺序收发，在实际的使用中需要注意。

该项目目前尚未完全解决通讯问题，复刻请确保自己有能力解决相关问题！ 详细情况会在下文存在的问题部分提及。

5.2.5 按键、编码器

按键与编码器是本系统进行人机交互的主要工具。其中，按键相关功能通过调用OneButton.h库实现；编码器数值调节功能通过调用AiEsp32RotaryEncoder.h库实现。
其中，AiEsp32RotaryEncoder.h库中可以实现滚轮编码器的变速控制，即滚轮滚的越快、数值变化越快，其通过setAcceleration()函数实现。这样能够使得大量程变化的调整速度更快。

5.3 交互逻辑

交互逻辑与上一项目保持一致。

5.3.1 按键交互逻辑

按键	行为	调整
KEY1	单击	输出开关
KEY2	双击	设置启用
KEY2	单击	对象切换
编码器	顺时针	数值增大
编码器	逆时针	数值减小

5.3.2 上位机逻辑

本项目中上位机使用串口通信，为进行多控制量的调整，使用标准Json格式进行编码。
Key与Value对照表如下：

对象	Key	Value类型	单位	范围
恒压PID参数	"VKpid_p" (i, d同)	float	-	0 ~ 655.35
恒流PID参数	"IKpid_p" (i, d同)	float	-	0 ~ 655.35
目标输出电压	"VSET"	float	1.0V	2.5 ~ (VIN-0.5)
目标输出电流	"ISET"	float	1.0A	0 ~ 4.5
输出状态	"OUT"	bool	-	0 / 1

例如要设置目标输出电压为12V、输出电流为1A、输出状态为1，则编码为：
{"VSET":12, "ISET":1, "OUT":1}\n
设备会在接收到上位机数据后返回相同的信息。

5.3.3 TFT显示逻辑

显示逻辑.jpg

屏幕上部显示输入电压与输出状态。
输入电压保留1位小数。当电压低于有效输入时，判断输出处于异常状态；低于有效输入、高于4.5V时显示“LOW”；低于4.5V时显示“NONE”。
输出状态在无输出时显示“WAIT”，当输出模式为恒压时显示“CV”，若输出电流超过设置值时进入恒流模式，显示“CC”。
屏幕中部显示输出电压、输出电流和输出功率。显示保留2位小数。
屏幕下部显示设置电压和电流，设置精确到一位小数。当双击编码器KEY2时进入选择状态，在待设置数值下显示横线；单机编码器KEY2切换设置输出电压或输出电流。

6、BOM清单

零件名称	数量	获取方式	备注
机械零件	若干	-	见4.2 机械结构
PCB_UP	1	嘉立创免费打样	厚度1.6mm
PCB_DOWN	1	嘉立创免费打样	厚度1.6mm 4层板 3313阻抗

PCB BOM清单请见页尾自动生成部分。注意电容选型的耐压！

6.1 机械装配

爆炸图.jpg
零件爆炸图如图所示，安装需自上向下安装。
首先使用M2x7+3mm铜柱将PCB_UP固定再上壳上，然后向下放入下壳当中。注意，需要对外壳进行适当的形变，并且由于编码器体积问题，安装时需要以一定角度置入下壳。
上壳与PCB_UP安装后翻转并安装PCB_DOWN，接着安装CNC铝板，最后使用M2x10mm螺丝固定。需要注意的是，CNC铝板安装前应当在铝板的凸台上涂抹硅脂/散热凝胶，在一些可能碰到的位置增加绝缘胶带；PCB_DOWN中固态电容也需要在可能与金属接触到的位置缠绕绝缘胶带。如4.2 机械结构图中所示。

铝板装配建议.jpg

7、性能测试

时间关系暂未进行完整的性能测试，后续进行补充。

7.1 电压跟随测试

电压跟随测试.jpg
图中，I0为目标电压值，I1为输出电压值，上图电压采样曲线所示可见跟随性能较好。

8、现存的一些问题

目前问题主要集中在MPQ4263的I2C通讯上。之前没有用过I2C通讯的DC-DC控制器，项目设计中缺少经验，对PMBus协议的使用也较为生疏。后续还要进一步优化代码以改进对MPQ4263的控制。
请注意，由于当前存在的问题，电源使用还存在不确定性，若要进行复刻请确保自己有修改的能力！

MPQ4263输出问题1：输出斜率过大会突然掉压，然后输出保持在约3.8V，猜测可能出现了某种错误并陷入保护状态，等待解决。
MPQ4263输出问题2：输出电压最高只能达到约26.5V，当电压高于这一值时无法继续增加，猜测也是受到了某种保护。
MPQ4263工作问题：OPERATION寄存器写入似乎存在问题，还未确定具体情况。

9、大赛LOGO验证

logo验证.jpg
大赛LOGO如上图所示。

10、演示您的项目并录制成视频上传

详见附件内容。

序号	文件名称	下载次数
1	视频展示.mp4	2
2	CarelePowerBox_v2.zip	38
3	MPQ4263GQVE-0002-AEC1-Z.pdf	8
4	上盖.STL	5
5	下壳.STL	5
6	底板.STEP	4
7	底板.SLDPRT	6
8	上盖.SLDPRT	7
9	下壳.SLDPRT	7
10	模型文件.zip	15
11	脚垫.SLDPRT	4
12	脚垫.STL	5