基于TI_WEBENCH? Designer_微逆變器供電方案的設(shè)計(jì)

文章概要：

一、微逆變器介紹
二、WEBENCH® Designer 簡介與快速入門
三、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
四、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)

一、微逆變器介紹

隨著能源短缺，光伏發(fā)電越來越成為一種具有非常潛力的新型替代能源。相對(duì)石油，太陽能光伏發(fā)電近乎0碳排放。顯然這能大大緩解全球碳排放造成全球氣候變暖的問題。而光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分類有兩種：第一種集中式逆變器組成發(fā)電系統(tǒng)，第二種也就是本文講到的微逆變器發(fā)電系統(tǒng)。

前者通常是高電壓多組件串聯(lián)供電應(yīng)用于大型的發(fā)電系統(tǒng)。后者單組件的微逆變器并聯(lián)工作。相比集中式逆變器發(fā)電系統(tǒng)而言，單個(gè)組件的微逆變器效率更高，系統(tǒng)可靠性更加高并維護(hù)方便，由于是并聯(lián)工作消除了集中式由于陰影遮擋、光伏板組件差異、系統(tǒng)整體效率低下等等各種不利因素。所以微逆變器有更高的效率，通常能達(dá)到是95%以上。

而本文主要闡述如何用TI的WEBENCH® Designer軟件對(duì)微逆變器的供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1微逆變器的外觀圖

1. 微逆變器設(shè)計(jì)框圖（控制結(jié)構(gòu)）

本微逆變器設(shè)計(jì)采用了交錯(cuò)反激的并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及其軟開關(guān)控制策略。并針對(duì)反激變壓器漏感問題，提出漏感能量吸收回饋電路，實(shí)現(xiàn)了反激變換器漏感能量吸收再利用，并實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管漏源電壓的鉗位，提高了變換效率同時(shí)降低了MOS開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰。微型逆變器主要工作原理是將光伏電池板的直流電流直接轉(zhuǎn)換為成交流電流。本工程設(shè)計(jì)微變器額定功率為250瓦，輸入電壓范圍在19 VDC至50 VDC內(nèi)，最大開路電壓為55V。

圖2微逆變器設(shè)計(jì)框圖

2. 微逆變器設(shè)計(jì)的功能：

峰值效率：95％
最大功率點(diǎn)跟蹤：99.5％
最大輸出功率：216W
電網(wǎng)電壓范圍（230 VAC）：210 VAC-264 VAC
輸入電壓范圍：19VDC-50VDC
電氣隔離
支持無線通信

3. 微逆變器供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3微逆變器供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4. 微逆變器主要芯片供電分析

從微逆變器供電結(jié)構(gòu)圖發(fā)現(xiàn)主要有以下10塊

P V 電壓檢測(cè)AMC1200dub +3.3v，+5v。（芯片供電，以下類推）
反激電流檢測(cè)opa2171*2路+5v。
反激電壓檢測(cè)opa2171+5v.
電網(wǎng)電壓檢測(cè)opa2171+3.3v
電網(wǎng)過零檢測(cè)LMV7235+3.3v
電網(wǎng)電流檢測(cè)opa2171+3.3v電流傳感器(ACS712ELCTR-05B 供電+5V)
全橋溫度檢測(cè)LM61+3.3v
反激變換驅(qū)動(dòng)iso7240 SM72295+3.3v,+5v,+12v
全橋驅(qū)動(dòng)ucc2734+3.3v
微控制器DSP28035+3.3vADC 基準(zhǔn)2.5v

綜合分析主要供電有以下幾路，2.5v，3.3v，5v，12v。

為減少干擾，供電驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)控制采用獨(dú)立的供電。供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4

圖4微逆供電結(jié)構(gòu)圖

那么接下來對(duì)各路供電電流進(jìn)行一個(gè)統(tǒng)計(jì)計(jì)算：

+2.5v 首先是+2.5v電流查DSP數(shù)據(jù)手冊(cè)ADC基準(zhǔn)供電電流2ma，可能有多路基準(zhǔn)額定給了20ma
+3.3vDSP28035 供電3.3v電流查數(shù)據(jù)手冊(cè)得到最大一般是135ma

而其它各路放大器以及3,3V供電回路大概是20ma足夠再加上基準(zhǔn)20ma.

所以3.3V供電電路=135+20+20=177ma，放一定余量后，3.3v額定電流設(shè)為350ma。

+5v從供電結(jié)構(gòu)圖可以看到5V供電電路需要加上3.3v 350ma，額定電流設(shè)定為500ma足夠。
+12v系統(tǒng)控制12v，其負(fù)載為+5V.所以為:500ma<額度電流<1都可以，設(shè)定為1A
+12v反激驅(qū)動(dòng)+全橋驅(qū)動(dòng)額定電流也設(shè)置為1A。

有了這些數(shù)據(jù)那么接下來可以用WEBENCH® Designer設(shè)計(jì)這個(gè)微逆變器供電電路了。在設(shè)計(jì)之前，先簡單介紹下WEBENCH® Designer的使用。

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二、 WEBENCH® Designer 簡介與快速入門

簡介：WEBENCH® Designer 是TI公司一款網(wǎng)頁版本的小功率電源設(shè)計(jì)軟件，它能生成單個(gè)電源芯片的原理圖，PCB，以及元器件表格，和仿真文件，可供設(shè)計(jì)者下載本地。同時(shí)它還可以設(shè)計(jì)濾波器、LED驅(qū)動(dòng)電源、FPGA和微處理器電源，ADC的基準(zhǔn)電源、時(shí)鐘、傳感器、接口等共8個(gè)分類。每個(gè)總類還有細(xì)分功能，非常豐富，另外WEBENCH® Designer 還可以編輯繪制原理圖，不過WEBENCH® Designer主要功能還是小功率電源設(shè)計(jì)，本節(jié)主要是通過一個(gè)單負(fù)載輸出的方案，帶你快速入門WEBENCH® Designer。

打開TI網(wǎng)頁，登錄后就可以直接設(shè)計(jì)，如果你未注冊(cè)，用郵箱注冊(cè)一下也很方便，同時(shí)網(wǎng)站的服務(wù)器能保存你的設(shè)計(jì)，隨時(shí)可以下載到本地。

入門設(shè)計(jì)步驟共6步：

下面以一個(gè)系統(tǒng)默認(rèn)的單電源設(shè)計(jì)為例，輸入電壓14v～22V，輸出3.3v，輸出電流2A，環(huán)境溫度30度。

進(jìn)入設(shè)計(jì)界面后選擇，最高性能，優(yōu)化器旋鈕選擇效率最高，然后進(jìn)入設(shè)計(jì)步驟如下。

圖5WEBENCH® Designer 設(shè)計(jì)步驟

具體請(qǐng)參考附件的（WEBENCH® Designer 簡介與快速入門）。

三、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第一步：打開TI主要找到這個(gè)軟件，前面介紹了單負(fù)載設(shè)計(jì)，我們這個(gè)項(xiàng)目選擇多負(fù)載設(shè)計(jì)。

第二步：添加第一路12V供電，輸入為19～50V，輸出電流1A---------》交錯(cuò)反激驅(qū)動(dòng)+全橋MOS驅(qū)動(dòng)。

第三步：設(shè)置第2個(gè)系統(tǒng)12V電源，輸入19～50v，輸出電流1A

第四步：給第2個(gè)電源加三個(gè)負(fù)載分別是：5v 500ma,3.3v350ma,2.5v20ma。

第五步：提交項(xiàng)目后，把優(yōu)化器旋鈕轉(zhuǎn)到效率最高，點(diǎn)擊檢查項(xiàng)目細(xì)節(jié)。

第六步取個(gè)名字點(diǎn)擊生成工程

第七步生成后的工程畫面

第八生成后的工程下拉畫面。

第九原理圖下載

注意：雖然是多負(fù)載，但是你下載原理圖還只能以單芯片的原理圖，而本設(shè)計(jì)綜合了4路供電的原理圖，所以你都要下載的話只能分別下載。

第十分享工程設(shè)計(jì)

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四、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)

WEBENCH® Designer是根據(jù)你的輸入輸出電壓、輸出電流、電源的效率、以及器件成本、PCB的尺寸等等選項(xiàng)，并生成符合你設(shè)計(jì)要求的供電芯片電路，同時(shí)也推出備用供電芯片方案，供你手動(dòng)選擇。這其實(shí)就是黑箱子操作原理。你輸入什么要求，就能輸出符合你要求的（原理圖、仿真圖、熱仿真、以及器件清單，等等）整個(gè)工程設(shè)計(jì)文件。但是無需管箱子內(nèi)部，最重要是只要輸出滿足你的設(shè)計(jì)條件，整個(gè)設(shè)計(jì)就算OK了。往簡單了說，WEBENCH® Designer其實(shí)一個(gè)器件選型軟件。

而本設(shè)計(jì)主要輸入了各路供電的輸入輸出電壓，輸出電流，并用了軟件的優(yōu)化器旋鈕。在微逆變器中我們追求的是較高的效率，對(duì)供電器件成本不是敏感，并要求高質(zhì)量與高效率，所以這里在輸入條件時(shí)候，我們選擇把優(yōu)化器旋鈕旋到最右邊到底，為效率最高。而軟件自動(dòng)選型了以下三款芯片。如圖7.1軟件生成的電源供電電路的結(jié)構(gòu)圖。

圖7.1微逆變器的電源結(jié)構(gòu)圖

下面對(duì)三款芯片原理圖進(jìn)行簡單的介紹。

第一款lm46002 ，12v1A (5v0.73a)

注意，在設(shè)計(jì)時(shí)候，第2路的輸出設(shè)定是12V，而這里軟件改成了5V，錯(cuò)了沒有？沒有。因?yàn)榈?路12V的主要負(fù)載是5V,3V,2.5V，所以軟件根據(jù)設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行了自動(dòng)優(yōu)化，其原理也是很簡單的，雖是同一個(gè)芯片，但只要根據(jù)電阻的阻值比選擇，LM46002能輸出不同的輸出電壓。圖7.1原理圖有WEBENCH® Designer軟件生成（其它兩款芯片原理圖一樣是有軟件生成）。

圖7.2lm46002 ，12v1A (5v0.73a)原理圖.

lm46002輸出效率圖

如圖7.2圖中 紅綠藍(lán)分別代表典型值19v，34.5v，50v負(fù)載電流的效率圖,以輸入電壓19v（紅線）為例，在0.5a～0.6a的負(fù)載電流，效率為97.8%～97.7%，實(shí)際從圖7.3中可以看出負(fù)載電流在0.5a～0.6a之間為最高，三路典型電壓值在此處效率均為最高。

圖7.3 lm46002輸出電流效率圖

第二款 TPS563208 ,3.3v 0.37a.

從TI官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知:TPS563208輸入電壓范圍：4.5V 至17V，輸出電壓范圍：0.76V 至7V，輸出電流最大3A.。跟lm46002一樣，TPS563208同為同步降壓穩(wěn)壓器，只是輸入輸出電壓與電流區(qū)別。WEBENCH® Designer軟件在3.3v,0.37a負(fù)載支路自動(dòng)選型了這款芯片。表2為官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的元器件參數(shù)。

TPS563208 輸出電壓計(jì)算公式：VOUT=0.768*(1+Rfbt/Rfbb)。

表2 官網(wǎng)推薦的元器件值

表2與原來圖7.4器件序號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系：R1=Rfbt, R2=Rfbb, ci=c8+c9。

有WEBENCH® Designer生成的數(shù)據(jù)，Rfbt=33.2k,Rfbb=10k,L1=3.3uh,cin=22uf輸出電壓為3.3v，

如原理圖7.4。完全符合官網(wǎng)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)的設(shè)計(jì)參數(shù)值。

看來這也算是一種革命，本來的設(shè)計(jì)是需要查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)，然后根據(jù)官網(wǎng)提供數(shù)據(jù)規(guī)格與實(shí)際的輸入環(huán)境來設(shè)計(jì)電路，而用WEBENCH® Designer后只要輸入電壓，輸出電壓，輸出電流，以及要求效率后，直接生成原圖，這的確簡便多了。尤其是在設(shè)計(jì)多個(gè)電源的時(shí)候，用WEBENCH® Designe比常規(guī)的電源設(shè)計(jì)效率更高。圖7.4TPS563208 3.3v 0.37a.供電原理圖同樣有軟件生成。

圖7.4TPS563208 ,3.3v 0.37a原理圖

TPS563208輸出效率圖

如圖7.5，紅綠藍(lán)分別代表4.5v,5v,5.5v輸入電壓的負(fù)載電流的效率圖。從圖中輸入電壓（紅線）4.5v為例，0.2a~0.25a區(qū)域效率約為96.6%～96.7%最高。此圖基本上反饋了器件的整體轉(zhuǎn)換效率。注意這里實(shí)際輸入電壓5V，額度電流為0.37a左右，而實(shí)際電流值200ma~250ma左右，器件正好工作在最高效率的負(fù)載電流區(qū)域。

圖7.5TPS563208輸出電流與效率的關(guān)系圖

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第三款 ATL432，2.5v 0.02a

這是一款低靜態(tài)電流可調(diào)節(jié)精密分流穩(wěn)壓器，從官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，atl432能輸出穩(wěn)2.5~36V穩(wěn)壓值，并連續(xù)可調(diào);參考電壓原誤差為+-1.0%，低動(dòng)態(tài)輸出電阻,典型值為0.22歐姆輸出電流1.0~100毫安;全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦，典型值為50ppm;低輸出電壓噪聲。

WEBENCH® Designer軟件在2.5v，0.02負(fù)載支路中，選型了這款芯片。

從官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，atl432與大家很熟悉的TL431是完全一樣功能，只是引腳與編號(hào)不同。所以這里不在描述，具體atl432效率輸出圖可以參考本設(shè)計(jì)的工程文檔webench_250微逆變器電源工程文檔.pdf.當(dāng)然你也可以查閱TI官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊(cè)，同樣在本設(shè)計(jì)中 ATL432的原理圖有軟件自動(dòng)生成，如同7.6。

圖7.6 ATL432，2.5v 0.02a原理圖

項(xiàng)目總結(jié)：經(jīng)過原理圖分析，電路仿真以及與三個(gè)芯片lm46002、TPS563208、ATL432數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì)比。由WEBENCH® Designer 軟件生成的三款芯片的原理圖完全符合了設(shè)計(jì)的要求。

從軟件生成的工程文件得出數(shù)據(jù)：

1.微逆變器供電系統(tǒng)總效率為94.384％

2.系統(tǒng)總BOM數(shù)34.0

3.總系統(tǒng)BOM成本約為$9.96

4.系統(tǒng)總功耗728.8毫瓦

到此整個(gè)微逆變器供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)全部完成，并達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

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