概述

在不断增长的能源需求以及持续变化的气候条件下，能源消费结构正加速向低碳化发展，可再生能源在整个能源中的占比不断提高。太阳能是一种优质的可再生能源，可以通过光伏电池将光能转化为电能。在转化的过程中，为了提升能量的利用率，需要给光伏电池配置功率优化器，从而实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT），因此，也可以称之为MPPT控制器。下面将会对恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案进行介绍。

光伏相关原理介绍

硅基太阳能电池是目前市场上主流的光伏电池产品，其中的有效结构是P-N结，当太阳光照射P-N结时，由于光生伏打效应，产生光电子-空穴对，在P-N结内建电场的作用下形成光生电场，从而实现光能到电能的转换。根据光伏电池的原理进行模型简化，可以得到如下模型：

图1. 光伏电池简化模型

需要说明的是：

• IL是光伏电池受到光照后产生的光电流；

• 由于光电流相对于P-N结正向偏置，因此在向负载输出时有一部分电流会流经P-N结，等效为电流ID；

• 由于光伏电池自身的缺陷，有一部分电流会在内部消耗掉，等效为并联电阻Rp；

• 由于光伏电池连接处以及线路上会产生一定的损耗，可以将其等效为串联电阻Rs。

通过对光伏电池的模型进行分析，可以得到它的I-V特性曲线以及P-V特性曲线，如下图所示：       

图2. 光伏电池特性曲线

说明如下：

• 光伏电池在最大功率点Pmpp时的输出功率最大；

• I-V曲线与纵轴的交点是光伏电池的短路电流Isc，当负载短路时，测得的输出电流即为短路电流；

• I-V/P-V曲线与横轴的交点是光伏电池的开路电压Voc，当负载开路时，测得的输出电压即为开路电压；

光伏电池的输出特性主要受到光照强度和温度的影响，光照强度主要影响光伏电池的短路电流，温度主要影响光伏电池的开路电压。

在温度为25℃，不同的光强条件下，光伏电池的P-V特性曲线如图所示，最大功率随光强的增大而增大。

图3. 光伏电池不同光强条件下的P-V特性曲线

在光强为1000W/m2­，不同的温度条件下，光伏电池的P-V特性曲线如图所示，最大功率随温度的升高而减小。

图4. 光伏电池不同温度条件下的P-V特性曲线

在实际应用中，由于外界条件的变化，光伏电池无法始终工作在最大功率点，从而产生能量的浪费。通过DC/DC电路以及MPPT算法，可以动态改变输出状态，使得光伏电池始终工作在最大功率点附近，从而实现能量的高效利用。

MPPT的主流控制算法主要包括比例系数法（如开路电压比例系数法、短路电流比例系数法等）、扰动观察法（Perturb and Observe, P&O）和电导增量法（Incremental Conductance，INC）等。

在本方案中，使用扰动观察法实现了MPPT控制。

光伏电池的P-V特性曲线是以最大功率点为峰值的单一峰值函数，在扰动观察法中，通过周期性地施加扰动，使得光伏电池的工作点在P-V特性曲线上移动，根据光伏电池输出电压变化（ΔV）和光伏电池输出功率变化（ΔP）的情况判断正确的电压变化方向，使得光伏电池的工作点逐渐向最大功率点移动，并在最大功率点附近工作，从而实现MPPT控制。

图5. 扰动观察法原理

在曲线的左段，当工作点朝着最大功率点移动时，ΔP>0，ΔV>0，此时需要继续增大输出电压，直到ΔP<0；

在曲线的右段，当工作点朝着最大功率点移动时，ΔP>0，ΔV<0，此时需要继续减小输出电压，直到ΔP<0。

由以上分析可知：①若ΔP>0，ΔV>0，需要增大光伏电池输出电压；②若ΔP<0，ΔV>0，需要减小光伏电池输出电压；③若ΔP>0，ΔV<0，需要减小光伏电池输出电压；④若ΔP<0，ΔV<0，需要增大光伏电池输出电压。因此，可以直接通过判断ΔP*ΔV的符号来进行输出电压的控制，若ΔP*ΔV>0，增大控制电压，若ΔP*ΔV<0，减小控制电压，算法流程图如下图所示：

图6. 扰动观察法流程图

恩智浦光伏MPPT控制方案分析

在光伏系统中，根据光伏系统是否接入电网，可以分为离网型光伏系统和并网型光伏系统。MPPT控制器作为系统的前端部分，对光伏电池转换的电能进行预处理，提升能量的利用率，并使用电池作为储能设备，将多余的电能储存起来。本方案以离网型光伏系统为研究对象进行设计，输出端可以连接电池和直流负载。

a) 离网型光伏系统

b) 并网型光伏系统

图7. 光伏系统框结构图

下图是恩智浦光伏MPPT方案的系统框图：

图8. 恩智浦光伏MPPT方案系统框图

方案组成：

• 主控MCU: LPC5536*；

- 基于Cortex-M33内核

- 主频最高150MHz

- 256 KB 的片上flash及128KB的片上SRAM

- 2x 16位ADC模块，最高2Msps采样率，每个ADC模块支持最多8差分或者16单端通道

- 2x FlexPWM模块，每个FlexPWM模块有4个子模块，每个子模块可用于控制一个半桥

- 其他丰富的外设以及GPIO

- 提供HVQFN48，HTQFP64以及HLQFP100等多种封装

* Other recommended products:

• 光伏板；

系统的能源输入，通过辅助电源为系统供电

• 电压及电流采样电路；

采集Boost电路的输入及输出端的电压电流信息，为MPPT控制提供所需参数。电压采样通过分压电阻得到，电流采样通过采样电阻以及电流采样放大器得到，最终均输入到LPC5536的ADC模块进行采集

• Boost电路；

实现MPPT控制的核心部分。经MPPT算法计算后转化为PWM占空比，通过栅极驱动器驱动Boost电路中的MOSFET，实现对光伏电池输出的控制

• 充电芯片；

管理24V电池的充电过程，可以通过LPC5536实现开关控制以及充电电流控制

• 24V电池；

储能系统常用的电池包，用于存储光伏电池转化的电能，并为直流负载提供电源

• 按键及LCD；

按键和LCD分别作为人机交互的输入和界面显示，方便用户进行系统参数的设置以及观察系统的运行状态

小结

本文介绍了光伏的相关原理和恩智浦光伏MPPT方案，敬请留待下一篇介绍该方案的硬件设计部分。

恩智浦正式发布MCX A14x和A15x系列“通用”微控制器。MCX A隶属于MCX产品组合，基于Arm Cortex-M33内核平台。MCX的理念是将主流恩智浦器件的卓越特色与创新功能结合起来，打造下一代智能边缘设备。

恩智浦新一代MCX A系列MCU配合市场所熟知的FRDM开发平台，以经济高效的方式综合优化性能并配备自主式外设，为打造智能边缘应用奠定基础

恩智浦半导体（NXP Semiconductors N.V.，纳斯达克股票代码：NXPI）今日宣布推出MCX A14x和MCX A15x，MCX A系列通用产品组合中的首批产品，现已正式发售。新一代MCX A系列MCU成本低、易于使用、封装小，旨在帮助工程师创造更多可能。该系列 MCU 经过优化，拥有丰富的功能、创新的电源架构和软件兼容性，能够满足广泛嵌入式应用的需求，包括工业传感器、电机控制、电池供电或手持式电源系统控制器、物联网设备等。

MCX产品组合（包括MCX A系列）受到MCUXpresso Developer Experience以及新一代FRDM开发平台的支持。全面升级的FRDM开发板可加速原型设计，并支持定制化硬件的快速移植和启动。各种不同的IDE选择使用一致的工具套件，加上对FreeRTOS和Zephyr的支持，确保了MCX A和其他恩智浦MCU平台之间的可扩展性和可移植性。因此，工程师能够更轻松地在通用开发平台上快速打造新产品或面向新的用例进行开发，同时确保一致的用户体验。

重要意义

随着边缘智能设备的数量持续激增，工程师亟需经济高效的新方法来为设计添加关键的创新技术。MCX A系列旨在帮助工程师采用低成本、小封装、集成低功耗自主式外设的MCU，轻松实现上述目标，打造差异化的边缘解决方案，从而创造更智能、更互联的世界。

恩智浦半导体资深副总裁兼物联网和工业总经理Charles Dachs表示：“我们希望通过MCX让每一位工程师都能轻松使用我们的创新技术进行开发，而MCX A系列是我们在这一旅程中的一个重要里程碑。MCX产品组合是打造未来节能边缘设备的基石，旨在加速突破性技术在工业和物联网市场的部署。在此基础上，我们推出了MCX A系列器件，提供丰富功能与高集成度，鼓励工程师不受约束地开展设计。”

开发人员可以利用MCX A MCU创造更多可能

MCX A系列采用Arm^® Cortex^®-M33内核，其中MCX A14x运行频率高达48 MHz，MCX A15x运行频率高达96 MHz。该器件还支持低功耗外设组合、BLDC/PMSM电机控制和集成传感器接口（MIPI-I³C、I²C、SPI）。MCX A系列将提供多种封装和内存选项，最大闪存容量可达1MB，该平台还将在2024年间持续扩展。

每个MCX A器件都包含一系列能够独立于CPU自主运行的智能外设，从而允许CPU以较低频率运行，并降低功耗。智能外设包括带有内置缓冲器、可编程数据收集范围和DMA的串行通信、混合信号ADC、DAC、智能化运算放大器（支持均值和峰值检测），以及带死区时间控制和编码器的FlexPWM（用于电机应用）。创新的电源架构旨在通过更小尺寸的简单电源电路，提高I/O利用率和能效。MCX A设计支持更多GPIO引脚，可增加外部连接数量，使设计人员能够使用更小巧的封装、简化电路板设计并降低系统BOM成本。

使用FRDM开发板展开灵活快速的原型设计

MCX产品组合，包括新发布的MCX A系列，均配备恩智浦的FRDM开发板，这是一款低成本、可扩展的硬件平台，受到MCUXpresso Developer Experience的支持。该开发板设计紧凑，配备行业标准接口，支持轻松访问MCU的I/O，方便进行灵活快速的原型设计，旨在促进开发人员自由创新，开发各种最终应用。借助板载MCU-Link调试探针和随附的USB-C线缆，工程师可以轻松完成开发、调试和编程工作。

• 恩智浦的S32M2专为电机控制而设计，可充分提高S32汽车计算平台的软件复用率，支持汽车行业向软件定义的电动汽车过渡

• OEM开始转向生产更小巧、更轻便、更高效的BLDC/PMSM电机，助力电动汽车提升能效和续航里程

• 高度集成的S32M2精简优化了支持车身与舒适系统的电机控制方案，可降低车内噪音并提高乘客舒适度