DMPPT與PFM/PWM混合調(diào)制電路特征與應(yīng)用

摘要：文章介紹了分布式太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)(DMPPT)的特征及在太陽能路燈系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了新型高效率升壓/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器及帶內(nèi)部開關(guān)的高效降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，對PFM/PWM混合調(diào)制電路技術(shù)特征與應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。 敘詞：分布式太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)(DMPPT) 太陽能路燈系統(tǒng) 混合調(diào)制電路 DC/DC轉(zhuǎn)換器 Abstract：The paper introduces the features of DMPPT and its application in solar street light system. The author, then, presents novel high-efficiency buck-boost DC-DC converter and high-efficiency buck DC-DC converter with internal switch. It also analyzes in detail the features and application of PFM/PWM hybrid modulated circuit technology. Keyword：DMPPT, Solar-energy street light system, Hybrid modulated circuit, DC-DC converter
    1  引言

    便攜式產(chǎn)品電源管理集成電路的研發(fā)己擁有脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖寬度調(diào)制(PWM)及數(shù)字電源管理芯片的設(shè)計技術(shù)，并己有先進(jìn)水平的系列升壓芯片設(shè)計與產(chǎn)品。尤其是綠色能源管理芯片與分布式太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)己經(jīng)問世。本文將對分布式太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)與脈沖頻率調(diào)制(PFM)/脈沖寬度調(diào)制(PWM)混合調(diào)制電路技術(shù)特征與應(yīng)用作分析說明。為此，將按照以下次序進(jìn)行分析：流程內(nèi)容的列表→LED恒流驅(qū)動→原理框圖→管腳定義→典型應(yīng)用等。

    2  IV0300分布式太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)(DMPPT)

    目前市場上光伏系統(tǒng)一般都安裝了太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)。但普遍存在一個現(xiàn)象，即太陽能光伏系統(tǒng)中某一陣列受損將直接影響到輸出，造成能源浪費，因而就出現(xiàn)分了分布式太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)(DMPPT)。在此系統(tǒng)中，每組太陽能電池陣列獨立工作，互不影響，從而大大提高了光伏系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率。本文以IV0300為例進(jìn)行說明。IV0300是一款太陽能充電控制芯片，適用于一節(jié)到四節(jié)太陽能電池給兩節(jié)到四節(jié)鎳氫電池或者單節(jié)鋰電池充電，能承受1.5A的峰值輸入電流。

    ⑴工作特征

    當(dāng)太陽光達(dá)到一定照度時，使得IV0300使能端(EN)收到一高電平或太陽能電池板上電壓大于1/3充電截止電壓時，DMPPT組件將自動啟動，開始對蓄電池充電。IV0300設(shè)有過充保護和充電結(jié)束指示引腳，有效防止蓄電池過充而影響到其使用壽命。

    ①主要特性

    具有過充保護與充電完成結(jié)束指示、CVT恒電壓算法及太陽能轉(zhuǎn)換效率提高。

    ②典型應(yīng)用

    可用于光伏照明，如路燈、庭院燈、草坪燈、景觀照明等；公用設(shè)施應(yīng)用，如公交站點、路標(biāo)指示、安全檢查區(qū)等。

    ⑵ 管腳定義

    ISIN-太陽能輸入；CSMP-采樣電容；VSD-關(guān)斷電壓調(diào)整輸入；Vref-參考輸出；VOC-過充保護；CHEND-充電結(jié)束指示；BOUT-電池輸出；LX-與電感連接；BGND-電路地；EN-使能端。

    ⑶ IV0300典型應(yīng)用

    ① 太陽能路燈系統(tǒng)

    光伏照明現(xiàn)已普遍用在家庭照明，景觀照明，城市亮化等方面。典型的應(yīng)用就是太陽能路燈，它具有亮度高、安裝簡便、工作穩(wěn)定可靠、不敷設(shè)電纜、不消耗常規(guī)能源、使用壽命長等優(yōu)點。我們設(shè)計的太陽能路燈采用了分布式太陽能最大功率控制(DMPPT)技術(shù)，其系統(tǒng)架構(gòu)見圖1所示。

 
圖1 太陽能路燈系統(tǒng)架構(gòu)[!--empirenews.page--]

    ② 太陽能路燈系統(tǒng)工作原理

    此系統(tǒng)包括6大部分：光伏組件(太陽能電池板)，分布式太陽能最大功率跟蹤系統(tǒng)(DMPPT)，蓄電池(1000AH)，微處理器(MPU)，直流電源轉(zhuǎn)換，LED路燈(30W-50W)。在此系統(tǒng)中太陽能給蓄電池充電通過分布式最大功率跟蹤(DMPPT)進(jìn)行控制，采用并聯(lián)方式，每組太陽能電池板獨立工作，分別對蓄電池充電。蓄電池通過直流電壓轉(zhuǎn)換芯片，得到滿足路燈工作所需電壓和微處理器(NPL)工作電壓。微處理器(MPU)控制路燈的開啟關(guān)閉和電池的選擇，采用光控開，定時關(guān)。當(dāng)夜幕降臨時，微處理器(MPU)通過檢測光強啟動LED自動點亮，點亮—定時間后，其內(nèi)部定時器控制LED自動關(guān)閉，有效做到節(jié)能降耗。點亮?xí)r間一般設(shè)定為（6-10）h，該時間受區(qū)域限制，一般南方地區(qū)設(shè)定為（6-8）h，北方地區(qū)設(shè)定為(8-10)h。本系統(tǒng)設(shè)定的為10h。該系統(tǒng)采用的是大容量蓄電池小功耗照明，一次充足電后，可以連續(xù)工作7天，且避免了在使用過程中造成蓄電池過放電而損壞其使用壽命。另外，由于使用了IV0300，整個系統(tǒng)在晚上關(guān)閉前（即光強較弱時）還能工作，繼續(xù)充電。
③ 系統(tǒng)優(yōu)點：平均每年多生產(chǎn)10%-12%的電能；分布式的直流總線降低了傳輸電力損耗；兼容不同廠商的控制器到同一陣列中；太陽能電池板可以混合使用不同的角度；可靠性高，大大降低了維護成本；方便測試每組太陽能電池板上電壓，以便了解和預(yù)測整個系統(tǒng)的性能。

    3  新型高效率升壓/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

    3.1高效率無縫切換升壓/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

    MAX8625A PWM升/降壓調(diào)節(jié)器是針對便攜式電池供電設(shè)備中的數(shù)字邏輯電路、硬盤驅(qū)動、電機及其它負(fù)載供電而設(shè)計，適用于PDA、蜂窩電話、數(shù)碼相機(DSC)、MP3播放器等產(chǎn)品。MAX8625A在2.5V～5.5V輸入范圍內(nèi)可提供固定3.3V或可調(diào)(1.25V～4V)輸出，電流高達(dá)0.8A。MAX8625A采用2A峰值限流。專有的H橋技術(shù)在所有工作模式下可提供無縫切換，消除了其它器件中存在的尖峰干擾。4個內(nèi)部MOSFET(2個開關(guān)和2個同步整流器)提供內(nèi)部補償，大大減少了外部元件數(shù)。SKIP輸入用于選擇低噪聲、固定頻率PWM模式或高效跳脈沖模式。如果選擇跳脈沖模式，輕載時轉(zhuǎn)換器將自動切換至PFM模式，進(jìn)一步提高輕載效率。內(nèi)部振蕩器工作在1MHz，允許使用小尺寸外部電感和電容。MAX8625A的限流電路在輸出過載時關(guān)斷器件。此外，軟啟動功能有助于抑制啟動過程的浪涌電流。該器件還具有真正的關(guān)斷(True Shutdown™)功能，器件禁用時，斷開輸入端與輸出端的連接。MAX8625A采用3mm×3mm、14引腳TDFN封裝。圖2左為MAX8625A引腳功能與應(yīng)用示意圖，圖2右為跳脈沖、FPWM模式下效率與負(fù)載電流的關(guān)系。其優(yōu)點是單個電感、引腳可選的強制PWM(FPWM)或跳脈沖模式，僅需四個外部元件。

 
圖2 MAX8625A引腳功能與應(yīng)用示意圖（左）；
            跳脈沖、FPWM模式下效率與負(fù)載電流的關(guān)系（右）

    MAX8625A的主要特征：4個內(nèi)部MOSFET實現(xiàn)真正的H橋升/降壓轉(zhuǎn)換；升、降壓之間無擾動切換；切換過程中輸出紋波變化最??；效率高達(dá)92%；跳脈沖模式下靜態(tài)電流只有37µA(典型值)；輸入范圍2.5V～5.5V；固定3.3V輸出或輸出可調(diào)；1µA(最大值)邏輯控制關(guān)斷；真關(guān)斷，輸出過載保護；內(nèi)部補償與內(nèi)部軟啟動；1MHz開關(guān)頻率與熱過載保護；小尺寸3mm×3mm、14引腳TDFN封裝。

    3.2更高效的1.4MHz SOT23電流模式升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器

    1.4MHz SOT23電流模式升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX5042是全新的熱插拔、隔離式、PWM轉(zhuǎn)換器，集成了熱插拔控制器、PWM控制器和功率MOSFET。具有50W電源，元件數(shù)減少了65%，PCB面積比1/4磚模塊小40%，成本比50W模塊低80%，熱關(guān)斷保護內(nèi)部功率MOSFET和IC，無限期短路保護，2.5W熱增強TQFN封裝。圖3為MAX5042引腳功能與應(yīng)用示意圖。

圖3 MAX5042引腳功能與應(yīng)用示意圖[!--empirenews.page--]

    4  帶內(nèi)部開關(guān)的高效降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器

    ADP2105/ADP2106/ADP2107構(gòu)成低靜態(tài)電流、同步、降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品系列，它們采用4mm×4mm LFCS小型封裝。在中高負(fù)載電流時，該系列芯片使用電流模式、恒定頻率、PWM控制方式以達(dá)到優(yōu)良的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。為了保證便攜式應(yīng)用中最長的電池壽命，ADP210在輕負(fù)載時使用節(jié)省功耗的PFM控制模式以減少開關(guān)頻率節(jié)省功耗。圖4為帶內(nèi)部開關(guān)的高效降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器引腳功能與應(yīng)用示意圖。

圖4 帶內(nèi)部開關(guān)的高效降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器引腳功能與應(yīng)用示意圖

    可在個人數(shù)字助理(PDA)、無線手機、數(shù)字音頻、數(shù)碼相機、1枚鋰離子電池和鋰聚合電池以及3枚堿鎳電池等設(shè)備上應(yīng)用。

    5  采用1MHz、600mA PWM降壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動DSP核只需廉價電容

    MAXl821是一款全新的1MHz PWM轉(zhuǎn)換器，它采用低ESR的陶瓷型輸入和輸出電容，具有優(yōu)異的電源及負(fù)載調(diào)整特性，適合于驅(qū)動最新的DSP核。精密的電源及負(fù)載調(diào)整特性是通過創(chuàng)新的電流模式控制機制獲得的。獨特的斜率補償和寬帶誤差放大器，以及一個簡單的外部補償電路，使轉(zhuǎn)換器僅需小巧的4.7μF陶瓷電容即可穩(wěn)定工作。

    MAXl821能夠工作在PWM或PFM模式，以便獲得最優(yōu)化的待機和工作效率。為最大限度延長電池壽命，MAXl821集成了低導(dǎo)通電阻的開關(guān)和同步整流器，提供93%的效率。圖5為MAXl821引腳功能與應(yīng)用示意圖。

 
圖5 MAXl821引腳功能與應(yīng)用示意圖

    主要特性：保證輸出電流600mA；1MHzPWM開關(guān)頻率；僅需4.7μF陶瓷電容；出色的電源和負(fù)載調(diào)整；可同步至2.5G(19.8MHz)或3G(13MHz)系統(tǒng)時鐘；1.25V～5.5V可調(diào)節(jié)輸出電壓；無需肖特基二極管。

    6 PFM/PWM混合調(diào)制電路的技術(shù)特征與應(yīng)用

    脈沖頻率調(diào)制(PFM)/脈沖寬度調(diào)制(PWM)混合調(diào)制電路是突破傳統(tǒng)的一個近乎完美的結(jié)合。

    PFM/PWM混合調(diào)制電路是一款低靜態(tài)電流，高效率升壓DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，它為單節(jié)充電電池及堿電池應(yīng)用設(shè)備提供理想轉(zhuǎn)換。其特性為低靜態(tài)電流、低壓自鎖、電位感應(yīng)自動輸出高低檔轉(zhuǎn)換、集成同步整流、0.3Ω開關(guān)導(dǎo)通電阻、能消除電感震蕩技術(shù)與過流過壓保護等。該款芯片有可以被關(guān)斷的引腳。超高的性價比是消費性電子產(chǎn)品設(shè)計的首選。

    以IV0lXX系列為典型代表作分析，圖6為原理框圖。

 
圖6 IV0lXX系列PFM/PWM混合調(diào)制電路

    ⑴ 管腳定義

    LX-與電感相連；Vout-輸出端；Vdd-內(nèi)部電源；Vbat-輸入；PGND-功率地；VSS-模擬地；FB-反饋端；CON-控制端

    ⑵ 特性指標(biāo)

    輸入電壓范圍為1.0V-1.8V，輸出電壓范圍為2.0V-5.5V，轉(zhuǎn)換效率為90%，超低靜態(tài)電流；在0.95V以下低壓自鎖(UVLO)；電位感應(yīng)自動輸出高低檔轉(zhuǎn)換；具有100mV反饋輸入與可調(diào)整恒流輸出及邏輯性關(guān)閉控制；能消除電感震蕩技術(shù)與過流過壓的保護；其工作溫度范圍為40℃-85℃。

    ⑶ 典型應(yīng)用——LCD背光

    以IV0101典型應(yīng)用為例。IV0101作為一款高效直流升壓芯片，普遍用在4種設(shè)備上，即：單節(jié)鎳氫充電電池或堿電池手持便攜設(shè)備，LCD背光，手機背光及LED手電照明?，F(xiàn)僅以LCD背光與1W的LED手電為例作說明。

    ① LCD背光
    用LED作為LCD背光源已成為一個趨勢。主要因為LED不僅體積小，使用壽命長，而且色彩表現(xiàn)方面也遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)的CCFL(冷陰極熒光燈)。IV0l01在一節(jié)干電池輸入時，輸出最高可達(dá)200mA，至少可驅(qū)動6顆并聯(lián)的高亮LED(20mA，0.06W)，滿足3英寸的LCD背光。圖7(a)為IV0101芯片應(yīng)用LCD背光設(shè)計原理圖。

 
(a)[!--empirenews.page--]

(b)
圖7 (a) IV0101芯片應(yīng)用LCD背光設(shè)計原理圖；
      (b) IV0101芯片應(yīng)用1W LED手電設(shè)計原理圖
圖中參數(shù)說明見附錄（1）。

    ② 1W LED手電方案
    該電路適用于雙節(jié)干電池驅(qū)動1W的LED手電，當(dāng)輸入電壓為2.4V時，輸出電流可達(dá)300mA；2.8V時，輸出電流可達(dá)400mA以上；并且點亮?xí)r間長，兩度高，恒流無閃爍感?？蔀閷I(yè)照明手電提供良好電源或其他設(shè)備提供恒流電源。通過調(diào)節(jié)R3與R4的值來設(shè)置輸入電壓范圍，以達(dá)到低壓自鎖目的。圖7(b)為IV0101芯片應(yīng)用1W LED手電設(shè)計原理圖。

    7  PFM/PWM混合調(diào)制電路IV0102的應(yīng)用

    7.1 與IV0101相比的特點

    IV0102也是一款低靜態(tài)電流，高效率升壓DC-DC轉(zhuǎn)換芯片。可調(diào)的恒壓輸出，為單節(jié)二節(jié)三節(jié)堿電池，鎳氫電池，或單節(jié)鋰電池等手持便攜設(shè)備提供理想的電壓轉(zhuǎn)換。而特性為低靜態(tài)電流，集成同步整流，低壓自鎖，0.3Ω開關(guān)導(dǎo)通電阻，消除電感震蕩技術(shù)，過流過壓保護，控制方式采用PFM/PWM。該款芯片有可以被關(guān)斷的引腳。

    IV0102其特性指標(biāo)與IV0101相比為輸入電壓范圍1.0V-4.5V；輸出電壓范圍：2.2V-5.5V；控制方式：PFM/PWM相結(jié)合，為可調(diào)整恒壓輸出。

    7.2 IV0102應(yīng)用

    作為一款可調(diào)整恒壓輸出，高效率升壓直流轉(zhuǎn)換芯片，可做電源普遍用在手提便攜設(shè)備中，即有單節(jié)二節(jié)三節(jié)堿電池，鎳氫電池，或單節(jié)鋰電池手持便攜設(shè)備、便攜醫(yī)療器材、藍(lán)牙應(yīng)用、手機應(yīng)急充電器及便攜數(shù)碼產(chǎn)品等多種設(shè)備。值此僅以在升壓電路與手機應(yīng)急充電應(yīng)用為例作說明。

    ⑴ 升壓電路
    IV0102作為升壓電源，最普遍的應(yīng)用如圖8（a）所示。如要將此路的輸出電壓設(shè)置為5.72V，分壓電阻R1，R2由下面公式?jīng)Q定。

 
（a）
 
（b）
圖8 （a）IV0102作為升壓電源方案圖；
               （b）IV0102在手機應(yīng)急充設(shè)備中的應(yīng)用方案圖
圖中參數(shù)說明見附錄（2）。

    ⑵ 手機應(yīng)急充電

    該設(shè)計適用于雙節(jié)干電池手機應(yīng)急充電設(shè)備，與傳統(tǒng)的單節(jié)干電池應(yīng)用相比有大電流輸出、充電效率高等優(yōu)勢。當(dāng)輸入電壓為2.0V時，輸出電流可達(dá)240mA、2.4V時，輸出電流可達(dá)300mA、3.0V時，輸出電流可達(dá)380mA?？蔀镹OKIA、SAMSUNG、Sony Ericsson、LG、MOTOROLA等大部分手機機型及數(shù)碼相機、MP3、MP4、PDA等數(shù)碼設(shè)備提供理想充電。圖8（b）為IV0102在手機應(yīng)急充設(shè)備中的應(yīng)用方案圖。