LPC5536

之前为大家带来的恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案！主要对恩智浦基于LPC5536的光伏MPPT控制方案进行了总体介绍，相信大家对光伏发电的原理以及我们的方案已经有了大致的了解，这一篇将会对硬件方案进行更加详细的介绍。

硬件组成

按照硬件功能，可以将硬件电路分成下面四个部分：

电源电路 (POWER)
最大功率点跟踪电路 (MPPT)
单片机控制电路 (MCU)
充电控制电路 (CHARGE)

其中，电源电路为整个系统提供所需的电压，电源电路框图如下图所示，电源有4个输入通道：光伏板、外接电源、Vbus (MPPT OUT可以通过焊接方式与Vbus进行连接)以及电池，通过二极管连接并输入到Vin，作为DC/DC的输入。其中，10V用于栅极驱动，为MPPT电路提供驱动信号；3.3V用于MCU相关的电路，通过BUCK电路降压到5V然后经LDO获得。

图1 电源电路框图

图中部分元器件的选型如下表所示：

图2. 其余三个部分电路框图

其余三个部分的电路框图如下图所示：

MPPT电路拓扑结构采用同步BOOST，通过PWM控制栅极驱动器驱动MOSFET从而实现最大功率点跟踪。输入端接18V光伏板，分别通过电流采样调理电路采集输入端电压和电流，并传入MCU的ADC完成信号采集；输出端可以直接连接到负载上，或者通过焊接的方式跨接到Vbus上，方便进行调试，输出端同样也包含了类似的电压电流采样电路。

充电控制电路使用SC8802芯片，支持1~6节锂电池的充放电，通过控制四开关管BUCK-BOOST对充电功率进行调整。MCU可以通过GPIO和PWM对充电芯片进行控制，实现充电功能的开关，并控制充电电流。

MCU控制电路主要包括MCU最小系统、人机交互相关外设（屏幕和按键）以及一些接口，屏幕采用1.47英寸的SPI LCD，通过3个按键进行控制。另外，板载LM75B温度传感器，和MCU通过一组I2C接口进行通讯。SWD接口用于程序的下载和调试，2组UART接口用于串口调试，4个预留的GPIO用于测试及附加功能。

图中部分元器件的选型如下表所示：

将所用到的MCU资源进行总结，共使用了5x ADC，4x PWM，1x SPI，1x I2C，1x SWD，2x UART，11x I/O，另外预留了4个接口，可以用作4x I/O或者2x PWM和2x ADC，具体情况如下表所示：

电路测试

图3. 电路实物图

因为BOOST是本方案中实现MPPT功能的主拓扑，所以MOSFET的驱动效果直接影响了最终的控制效果，下面对BOOST拓扑中MOSFET的驱动波形进行测量。由于DC/DC电路很容易产生干扰，需要尽可能减小接地环路的面积，使用示波器的接地弹簧进行测量，低边MOSFET的驱动波形如图4(a)所示，高边MOSFET的驱动波形如图4(b)所示：

a)低边MOSFET驱动波形

b)高边MOSFET驱动波形

图4. MOSFET驱动波形

小结

本文聚焦恩智浦基于LPC5536光伏MPPT方案的硬件设计部分，展现了如何通过组件与电路设计实现高效稳定的太阳能转换系统。后续我们将介绍该方案的软件设计部分，共同见证这一高效光伏MPPT解决方案的完整面貌！

来源：恩智浦MCU加油站

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围观 21

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：