光伏供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u9740光伏供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)案例概述 1120691.1光伏供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1271551.2光伏供電電路各元器件的選擇 2285551.3充電芯片CN3791簡(jiǎn)介 5208741.1.1CN3791功能特性 5217071.1.2CN3791管腳配置及其功能 535761.1.3CN3791極限參數(shù) 775691.1.4MPPT原理分析 7290801.4光伏供電系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 842201.4.1AD軟件介紹 8144831.4.2主電路的具體分析 8289171.5光伏供電系統(tǒng)主電路仿真 91.1光伏供電系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、Buck降壓電路和鋰電池三部分組成，如圖1.1.1所示。太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)基于光生伏特效應(yīng)原理。在太陽(yáng)光的照射下，太陽(yáng)電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，產(chǎn)生的電能通過(guò)Buck電路和CN3791芯片給鋰離子電池充電，如果是在背光處或者夜間，鋰離子電池則不會(huì)充電。圖1.1.11.2光伏供電電路各元器件的選擇1.回路補(bǔ)償在CN3791的COM和地之間串聯(lián)接入一個(gè)電阻R2和一個(gè)瓷片電容C4，從而使電路中調(diào)制回路的供電性能具有良好的穩(wěn)定性?；芈费a(bǔ)償如圖1.2.1所示。圖1.2.12.輸入電容在輸入電源和MOSFET之間需要并聯(lián)一個(gè)輸入電容C1，如圖1.2.2所示。該電容可以濾除電路中的直流成分，還可以吸收由電源上產(chǎn)生的紋波電流，因此對(duì)于輸入電容的選擇，需要保證電路中的紋波電流在額定紋波電流，保證充電電流為最大額定紋波電流的兩倍。與此同時(shí)，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，寄生電感會(huì)發(fā)生高頻振蕩，產(chǎn)生一些高次諧波，這些諧波會(huì)對(duì)電路中的元器件產(chǎn)生損害，因此，輸入電容需要由下面電解電容、陶瓷電容和高頻陶瓷電容三個(gè)電容并聯(lián)組成：電解電容值：需要考慮到輸入電源的特性和充電電流等因素陶瓷電容值：10uF高頻陶瓷電容值：220uF圖1.2.21.輸出電容輸出電容C3需要串聯(lián)等效電阻較小的電容，這樣選擇可以吸收輸出端的紋波電壓，抑制電路中產(chǎn)生的高次諧波。輸出電容由下面10uF電解電容和10uF陶瓷電容兩個(gè)電容并聯(lián)組成。輸出電容如圖1.2.3所示。圖1.2.34.電感的選擇在BUCK電路正常工作時(shí)，電感需要考慮其周期性變化的瞬態(tài)電流。當(dāng)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓對(duì)電感、電容和負(fù)載進(jìn)行充電，電感電流增加，電感儲(chǔ)存電能；當(dāng)MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管關(guān)斷時(shí)，二極管提供續(xù)流通路，電感向電池放電，電感電流減小。電感值的減小會(huì)造成電感的紋波電流增大、輸入電壓也會(huì)增大。為減少紋波電流產(chǎn)生的危害，電感的紋波電流應(yīng)該考慮在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。電感的紋波電流范圍可根據(jù)下式計(jì)算得出： △IL=其中：f是開(kāi)關(guān)頻率，為300KHzL是電感值VBATVCCICH在選取電感值時(shí)，由下面公式來(lái)約束電感紋波電流： △IL≤0.3×ICH，L>5×(VCC考慮到電路中產(chǎn)生的電磁輻射，電感選擇為貼片式屏蔽電感。電感如圖1.2.4所示。圖1.2.45.MOSFET的選擇選擇MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)時(shí)需要綜合考慮轉(zhuǎn)換效率，MOSFET功耗以及所能承受的最高溫度。在芯片內(nèi)部，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓被鉗位在6.3V時(shí)，需要使用低開(kāi)啟電壓的P溝道MOSFET。所以需要MOSFET的擊穿電壓大于最高輸入電壓。選擇P溝道MOSFET時(shí)還需要考慮導(dǎo)通電阻Rds(on)，柵極總電荷Qg，反向傳導(dǎo)電容CRSS，輸入電壓和最大充電電流等因素。MOSFET所在電路如圖1.2.5所示。MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的最大功耗可以按照下式來(lái)進(jìn)行計(jì)算： Pd=Rds(on)×VBAT其中：Pd是MOSFET的功耗VBATVCCRds(on)是P溝道MOSFET在室溫(25℃)條件下的導(dǎo)通電阻ICH是充電電流dT是MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)際溫度與室溫(25℃)兩者的溫度差圖1.2.56.二極管的選擇二極管D1可以阻止反方向電流，二極管D2為續(xù)流二極管。對(duì)于二極管的選擇，保證通過(guò)二極管兩端的允許電流大于等于充電電流，同時(shí)，二極管兩端的耐受電壓也要大于最高輸入電壓。因此，二極管D1和D2要選擇肖特基二極管。二極管所在電路如圖1.2.6所示。圖1.2.61.3充電芯片CN3791簡(jiǎn)介1.1.1CN3791功能特性CN3791是如韻電子生產(chǎn)的一款電池充電管理集成電路，通過(guò)輸出PWM波對(duì)MOSFET實(shí)現(xiàn)通斷的控制，從而實(shí)現(xiàn)電路降壓的功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)鋰電池充電的管理。CN3791具有封裝外形小，使用簡(jiǎn)單和應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。單節(jié)鋰電池充電電路需要滿足寬電壓輸入和三段式鋰電池充電這兩個(gè)條件,三段式鋰電池充電如圖1.1.1.1所示。其中單節(jié)鋰電池指的是單串鋰電池并不是只有一塊鋰電池，如果需要增大容量，可以并聯(lián)多塊鋰電池來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一階段：涓流充電。當(dāng)電池電壓低于恒壓充電的66.5%，約為2.75V時(shí)，其內(nèi)部的鋰離子活動(dòng)性較差，內(nèi)阻較大，因此只能流過(guò)30到50mA左右的充電電流。如果超過(guò)這一限值，電池容易發(fā)熱和老化，會(huì)減少電池壽命。第二階段：恒流充電。當(dāng)電池電壓高于2.8V時(shí)，電池的鋰離子具有很好的活動(dòng)性，內(nèi)阻較小，因此可以流過(guò)大電流，實(shí)現(xiàn)充電。第三階段：恒壓充電，即充電電壓達(dá)到4.2V時(shí)充電停止。在恒壓充電過(guò)程中，其充電電流不斷下降，直到電流低于一定值后充電停止。恒壓充電可以讓鋰電池盡可能存儲(chǔ)更多的電量，也可以防止電池過(guò)沖，起到一定的電池保護(hù)作用。根據(jù)以上需求，本項(xiàng)目中選擇了CN3791。其具有太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤功能（MPPT），輸入電壓范圍為4.5V到28V，支持鋰電池三段式充電模式，而且可通過(guò)設(shè)置電阻值，設(shè)置恒流充電電流和太陽(yáng)能輸入電壓，其最大充電電流可達(dá)4A。圖1.1.SEQ圖3.3.\*ARABIC1.11.1.2CN3791管腳配置及其功能圖1.1.2.1CN3791芯片各管腳配置如表1.2.2.1所示。管腳名稱功能1VG電壓調(diào)制器輸出端。為內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路提供電源，在VG和VCC兩個(gè)端口之間接入100nF的電容。2GND地。電池負(fù)極和電源的負(fù)輸入端。3EQ\*jc3\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(——————),CHRG)充電狀態(tài)顯示端。漏極開(kāi)路輸出。當(dāng)電路在充電狀態(tài)時(shí)，此管腳在內(nèi)部晶體管作用下處于低電平；高阻狀態(tài)不動(dòng)作。4EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(——————),DONE)充電結(jié)束顯示端。漏極開(kāi)路輸出。當(dāng)電路充電結(jié)束時(shí)，此管腳在內(nèi)部晶體管作用下處于低電平；高阻態(tài)不動(dòng)作。5COM回路補(bǔ)償輸入端。需要在管腳和地兩者之間串聯(lián)接入一個(gè)120?的電阻和一個(gè)220nF的電容。6MPPT太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)跟蹤端。在芯片正常工作時(shí)，此管腳電壓被調(diào)制到1.205V。此管腳還需要接電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)能板的電壓。7BAT電池正極連接和充電電流檢測(cè)負(fù)輸入端。此管腳需要連接電池的正極。此管腳和CSP管腳還可以測(cè)量電流檢測(cè)電阻RCS兩端的電壓，并將此電壓信號(hào)反饋到CN3791進(jìn)行電流調(diào)制。8CSP充電電流檢測(cè)正輸入端。此管腳和BAT管腳可以測(cè)量電流檢測(cè)電阻RCS兩端的電壓，并將此電壓信號(hào)反饋到CN3791進(jìn)行電流調(diào)制。9VCC外部電源正極輸入端。VCC管腳到地之間需要接一個(gè)電容，該電容主要具有濾波的功能。10DRV柵極驅(qū)動(dòng)端。驅(qū)動(dòng)片外MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極。表1.2.2.11.1.3CN3791極限參數(shù)VCC，VG，DRV，CHRG，DONE端口到GND的電壓－0.3V到30VVG管腳到VCC管腳電壓－8V到VCC＋0.3VCSP，BAT，MPPT，COM端口到GND的電壓－0.3V到6.5V存儲(chǔ)溫度－65℃到150℃工作環(huán)境溫度－40℃到85℃焊接溫度(10秒)－260℃1.1.4MPPT原理分析MPPT俗稱太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)能板兩端發(fā)出的電壓，追蹤到最大的電流值，是系統(tǒng)以最高效率對(duì)電池充電。CN3791模塊具有MPPT管腳，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽(yáng)能板的最大功率點(diǎn)跟蹤功能。CN3791模塊MPPT管腳的電壓需要調(diào)制到1.205V，調(diào)節(jié)R3和R4這兩個(gè)電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。根據(jù)下式可以確定太陽(yáng)能板最大功率點(diǎn)電壓： VMPPT=1.205×(1+R3R41.4光伏供電系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)1.4.1AD軟件介紹本次設(shè)計(jì)的主電路圖采用19版AD軟件繪制，其主要應(yīng)用在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件可以進(jìn)行電路圖的繪制、電路的仿真和PCB板的繪制等操作，，并且其繪制界面簡(jiǎn)單，對(duì)于初學(xué)者學(xué)起來(lái)也較為容易，這一款軟件提高了設(shè)計(jì)者電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和工作效率。如何創(chuàng)建一個(gè)文檔，首先，打開(kāi)軟件，點(diǎn)擊新建工程，然后，新建原理圖、PCB、原理圖庫(kù)和PCB封裝庫(kù)，點(diǎn)擊確定，新建完成之后，就可以進(jìn)行電路圖的繪制了，對(duì)于庫(kù)文件里沒(méi)有的器件，你還需要進(jìn)行該器件的封裝，比如：下圖的CN3791就是我臨時(shí)封裝的器件。1.4.2主電路的具體分析光伏充電電路的設(shè)計(jì)，如圖1.4.2.1所示。以太陽(yáng)能板為核心為充電電路供電，太陽(yáng)能板可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，控制電路以及保護(hù)電路主要由CN3791芯片實(shí)現(xiàn)，充電電池采用鋰電池，主電路為Buck電路，可以實(shí)現(xiàn)降壓的功能。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管處于截至狀態(tài)，太陽(yáng)能板通過(guò)開(kāi)關(guān)管，電感，給電容和鋰電池充電；當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)能電感可以通過(guò)續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)放電。當(dāng)電感電壓高于電容時(shí)，電感給電容充電。電容C22隨著電容里所儲(chǔ)存的能量的輸出，其兩端的輸出電壓也會(huì)逐漸降低。圖1.4.2.11.5光伏供電系統(tǒng)主電路仿真主電路的仿真采用了Proteus8軟件。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電子系統(tǒng)的仿真，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)PCB設(shè)計(jì)和自動(dòng)布線。它是目前國(guó)內(nèi)電子設(shè)計(jì)愛(ài)好者應(yīng)用最廣泛的仿真軟件。該軟件具有原理布圖、PCB繪制、電路仿真的功能，還可以和Keil軟件實(shí)現(xiàn)仿真互動(dòng)，軟件設(shè)計(jì)界面簡(jiǎn)單，易學(xué)易懂，是一款非常完美的工具軟件。仿真電路采用了Proteus軟件進(jìn)行仿真，仿真如圖1.5.1所示。由于庫(kù)原件里找不到CN3791芯片，本仿真電路采用了脈沖觸發(fā)器對(duì)CN3791進(jìn)行了替代，替代后的充電電路，亦可以實(shí)現(xiàn)鋰電池充電的功能。太陽(yáng)能板采用6V電壓源進(jìn)行替換