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一、背景說明

我在公司任職已經快一年了，然而，發現手頭接觸到的太陽能燈具全都是光伏電池加二極體連線到線路板中的形式。然後太陽能量可能只經過該二極體，或許經過了鋰電池充放電保護IC，即和鋰電池連線。以功率轉換的角度，這樣的連線方式的效率是很低的。

公司大概是以價效比的角度，覺得增加線路元器件，即增加線路板硬體成本、又增加空間的使用以至於增加模具成本。但是這是以犧牲效能為代價的。太陽能充電一直是研究的熱點，只是在國內，個人分析，有以下幾個原因太陽能充電無法普及。

一、應用面較窄；由於太陽能板的特性，太陽能充電時，太陽能板需要正對著太陽光。同時，雖然太陽能量是否充沛，但是大氣層的氣候變化比較複雜。能到達地面的太陽能是斷斷續續的。

二、市場上的收益較少；人們在市場上的決定大多數都是為了利益。太陽能裝置比較昂貴，前期投資較大。然而目前國內屬於較大大規模產電，家庭發電與之對比規模十分小。市電電費較低，而回本週期較長。有部分地區，則需要政府補貼，家庭太陽能發電才得以維持。

三、需要人員定時維護。太陽能發電時，需要太陽能充沛，是白天。通常會配置有太陽能儲能裝置。要使儲能裝置作為電源對外供電，則可以通過人員手工接線甚至搬運儲能裝置、或者是外接線路和控制器，通過操作控制器實現儲能裝置作為供電設施投入使用。

目前，太陽能燈由於賣點是清潔能源。而功率較低，因此可以另當別論。為了不犧牲燈具的太陽能充電效能，需要研發一款低成本的帶MPPT的直流-直流變流器。內嵌入本公司已有的燈具產品中。提升了技術含量後，可以重新在效能和價格上面進行取捨，也可以讓大家多一個選擇。

二、基本原理

同步降壓變流器的拓撲結構如圖1。同步降壓變流器由降壓Buck電路轉變為來。由於是用於太陽能供電，因此輸入功率由光伏電池提供。本系統採用多個光伏電池。多個光伏電池和單個光伏電池的光伏特性曲線有所差異，多個光伏電池串聯的波形更復雜，但是可以進行更加靈活的配置，更有研究意義。同步降壓變流器主要由功率開關Q1和Q2、儲能電感L1、濾波電容C1構成。功率開關Q1和Q2可採用MOS管，通過控制MOS管的柵極-源極電壓，可以控制MOS管的導通。在Q1導通時，L1儲能。當Q1關斷，L1通過Q2或者D11為負載提供短暫性的電源。

圖1 同步降壓變流器拓撲結構

    其工作模式請見圖2-圖4。在工作模式1中，電源經過Q1，為L1、C1和負載提供電源。

圖2. 同步降壓工作模式1

    在工作模式2中，控制了Q1關斷，由於同一個橋臂的兩個開關管不可同時導通，在上下管子切換之間，有一段死區時間。在死區時間內，Q1和Q2都處於關斷狀態。此時，儲能電感L1經過Q2的反並聯二極體D11能短暫性地為負載提供能量。

圖3. 同步降壓工作模式2

圖4. 同步降壓工作模式3

在工作模式3中，控制訊號讓Q2導通。此時，由於MOS管Q2的導通電壓近似為0，而二極體D11的導通電壓約為0.7V。MOS管導通能比二極體導通具有更加少的導通阻抗，因此具有更低的功率損耗。同步降壓正常工作的模式只有以上三種。

儲能電感L1對直流訊號不起作用，但是在較快速的開關切換中，經過L1能量的傳遞方向一直在切換，因此電感L1在此時能起到儲能作用。

本系統中，只使用多組串聯，並沒有並聯。太陽能板串聯時候，特意在每個太陽能板並聯了一個二極體。假如每個太陽能板具有相同的電流輸出，則二極體處於關斷狀態。假如某個太陽能板所能輸出的電流比其他的太陽能板的低，那麼該太陽能板起不到電源的作用，反而會以發熱的形式消耗功率。此時並聯二極體導通，保護了該太陽能板不被大電流燒壞。

接下來，研究太陽能板光伏特性曲線。

假設我們的每塊太陽能板在STC的引數下，開路電壓是44.2V，短路電流是5.29A。

則單塊太陽能板的波形見圖5。

圖5. 單個太陽能板光伏特性曲線

(a) 電壓-電流曲線	(b) 電壓-功率曲線

以下討論當同一型號的太陽能板串聯的光伏特性曲線。太陽能板的開路電壓都是開路電壓是44.2V，短路電流是5.29A。若兩個太陽能板串聯，當兩個太陽能板具有相同的光照、發熱情況，則光伏特性曲線會是圖6中的紅色線。但是，如果有一個太陽能板收到遮擋，或者發熱輕度不同，短路電流會下降。光伏特性曲線會是圖6中的藍色線。

三個太陽能板串聯的光伏特性曲線，如圖7所示。

圖6. 兩個太陽能板串聯的光伏特性曲線

(a) 電壓-電流曲線	(b) 電壓-功率曲線

圖7. 三個太陽能板串聯的光伏特性曲線

(a) 電壓-電流曲線	(b) 電壓-功率曲線

三、研究的目的及意義

上一節我們討論了有遮擋的情況下、不同串聯數目的太陽能板的光伏特性曲線。太陽能板串聯組的輸出功率和工作電壓有關。假如採用傳統的太陽能板加二極體加電池的形式，太陽能板的工作電壓會受到電池的影響，因此在電壓-功率曲線上的工作狀態點會受到影響，不是處於最大功率點。那麼會浪費掉太陽能功率。

為了增加能源利用率，在太陽能板和電池組之間增加一級直流-直流換流器。直流-直流換流器本身具有功率轉換效率，可理解成輸入功率經過一定消耗後，剩餘的功率全部注入到負載。而換流器在帶載情況下，輸出功率是可控的。調整輸出功率，從而改變換流器的輸入功率。以至於調節太陽能板的輸出功率點。

同時，在研發了第一代樣機後，在演算法上實現了多種MPPT演算法。可以對比不同的MPPT演算法的實現起來的難易程度，即在微控制器中的程式碼量、計算量、演算法執行時間，還有不同演算法的魯棒性對比。

之後可以選擇一款價效比更高的微控制器，移植相關的程式碼。進一步優化成本，讓現有的太陽能感應燈在充電效果上效能提升檔次。

同時，多點技術上的積累，有助於公司在同行中保持中上游的地位。

四、研究的主要內容

本專案主要是一款實現MPPT演算法的數控電源，系統框圖見圖8。

圖8. 系統框架

線路板上具有多路光伏電池介面、同步降壓變流器主電路、負載接線頭、微控制器控制板、MOS管驅動電路、電壓電流取樣電路。

初版設計中，各部分的設計要求如下：

光伏電池介面設計要求：

1. PCB上佈局合理，整齊；
2. 為每個光伏電池設定板載的反並聯二極體；

同步降壓變流器主電路設計要求：

1. 輸入功率20V以下，5V以上；最大電流為2A。
2. 每個元器件選型合理，耐壓和額定電流要留夠合適餘量。
3. PCB中，開關切換頻率高的要放置得緊湊點，避免EMI，增加系統穩定性。
4. 需要有過流保護、過壓保護；

MCU控制板設計要求：

1、MCU採用STM32F103C8T6。配合STLINK模擬器，除錯便利。同時介面比較齊全，資料可通過串列埠上傳到上位機顯示，方便實時除錯。同時效能比較充足，足夠實現一般的數字電源演算法。

    2、有指示燈功能；

3、多餘的IO口要引出，便於外擴模組。

驅動電路設計要求：

1. 輸入訊號是3.3V。
2. 輸出訊號要足以讓MOS管充分導通，最大電壓不超過輸入電壓。
3. 採用三極體和電阻等分立器件。便於降低成本。

上述是硬體要求，設計好硬體後，需要對板載的MCU進行程式設計、除錯。在演算法上，需要對同步降壓變流器進行閉環控制。閉環控制器使用PID控制器。從簡單到複雜。先程式設計實現電壓環單環控制演算法，如圖9所示。

圖9. 同步降壓換流器閉環控制演算法1

圖10. 同步降壓換流器閉環控制演算法2

隨後，可以根據專案時間、專案進展情況，判斷是否需要進行閉環控制演算法。閉環控制演算法中，增加了電流內環。雙環控制演算法是電壓外環和電流內環。通過增加了電流內環，對電流的變化其反應，能增加系統的魯棒性。

雙環控制是可選的，因為會增加了運算量，在低端的MCU中可以難以勝任複雜的計算。但MPPT演算法是必須的。

控制太陽能板最大功率點的演算法稱為MPPT（Maximum power point tracking，最大功率點跟蹤）。目前常用的MPPT演算法有1、擾動-觀察法。2、電導增量法。3、恆定電壓法。另外還有粒子群演算法。

擾動-觀察法是通過以固定增量，改變光伏電池組的工作電壓，觀察改變工作電壓後的輸出功率跟之前的對比是否有增加。擾動的目的是嘗試找到最大功率點。假如輸出功率變低了，則採用相反的反向進行擾動。該方法的不足之處是，當光照處於變化之中，擾動-觀察法容易失控。優點是在邏輯上，比較簡單，因此最容易實現。

在研發週期內，需要把上述的方法都在MCU中實現一遍。需要實現不同的MPPT演算法並對比。分別在演算法程式碼量、運算量、演算法實時性，帶載切換時波形等多方面進行演算法評估。

隨後，準備多次減少成本，讓本變流器整體可以內嵌到燈具中。並製作相應的BOM。

五、研究的主要方法和手段

理論上的研究，需要多閱讀論文。

在實驗平臺中驗證理論，需要細心除錯。

微控制器除錯需要軟硬體結合。手頭上的工具有示波器、萬用表、電烙鐵、STLINK模擬器。在除錯變流器的閉環控制時，需要把波形資料實時上傳到電腦中，電腦上使用波形顯示工具，這樣可以實時除錯PID引數。