【文章內(nèi)容簡介】 外界光強變化達到整機工作的智能控制。 系統(tǒng)設(shè)計指標(1)DCDC 變換電壓(前/后)：25V~37V/18V；(2)驅(qū)動功率范圍：0~；(3)LED 驅(qū)動能力：輸出電壓 20V，電壓波動 2V，輸出電流 320mA，電流波動 20mA。 第二章 整體方案設(shè)計 5 (4)光強弱信息采樣率：40 次/分；5．抗干擾能力：1~20s。第三章 電源電路的研究與設(shè)計 6 第三章 電源電路的研究與設(shè)計 主電路的設(shè)計太陽能輸入具有電壓寬，電流小等特點，為了能保證輸入電壓和蓄電池充電電壓的匹配，DCDC 主電路采用 BUCK 電路實現(xiàn)。 電路參數(shù)計算（1）占空比 D 計算由設(shè)計指標可以確定 VMAX=37V 為最大電壓，V MIN=25V 為最小輸入電壓，占空比 D 可以根據(jù)電路輸入電壓和輸出電壓之間比例關(guān)系確定。 （31）? （32）inax493V （33）.6omnD（2）電感 L 和電容 C 計算 (34)ax(in)maxin( )????????電容耐壓值：由于最大輸出電壓為 37V，則電容耐壓值應(yīng)大于 37V。設(shè)計電路設(shè)計要留有一定的設(shè)計裕量，這里取電容規(guī)格 120uf/50V。（3）開關(guān)管 Q 的選取該電路的輸入電壓是 25V~37V，則開關(guān)管耐壓值為 37V，電流的最大值為： （35）????開關(guān)管的頻率為 f = 250KHz ，這里采用額定工作值是 150V/ 6A 的 MOSFET 管MTD6N15T4G。 電路設(shè)計主電路的系統(tǒng)函數(shù) Gvd(s)為： （36）21/()zvdinoossUQ???第三章 電源電路的研究與設(shè)計 7 其中， （37）e1(R/)osrLC??? （38）e(/)osrQ （39）e1RzsrC?取 R=，R esr =50mΩ，因為 L=，C=120uF，可求得ω 0=25000rad/s，f 0=ω 0/2π=，Q=，ω z=1000000rad/s，f z=ωz/2π≈。傳遞函數(shù)具體參數(shù)為： （310）221/0()36/()/0vd sGsss????主電路設(shè)計如圖 31。圖 31 電源電路主電路 反饋電路的設(shè)計由于 BUCK 電路只能對固定的輸入電壓，起到直流變換作用，由于太陽能電壓穩(wěn)定性變化較大，單純的 BUCK 電路，輸出電壓會隨著出入電壓的變化而變化，并不能起到穩(wěn)定輸出電壓的作用，因此需要加入閉環(huán)反饋校正。PID 控制器（比例積分微分控制器） ，由比例單元 P、積分單元 I 和微分單元 D 組成。它的應(yīng)用領(lǐng)域相當廣泛，主要適用于時不變的線性系統(tǒng)。PID 控制器常常作為反饋元件在工業(yè)控制中出現(xiàn)，它的工作過程可以分為：（1）收集反饋信息數(shù)據(jù)；（2）與設(shè)定基準值進行比較，并且用差值計算下一刻的輸入第三章 電源電路的研究與設(shè)計 8 值。其目的就是可以讓系統(tǒng)的輸出固定或者維持在某個值。PID 調(diào)節(jié)器自身的特點可以概括為：為了使系統(tǒng)更加準確和穩(wěn)定，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來糾正系統(tǒng)下一刻的輸入值。一個 PID 反饋回路可以讓系統(tǒng)的輸出維持在設(shè)定值，可以證明在輸出變化迅速的情況下，其他控制可能會導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定的誤差。 電路參數(shù)計算根據(jù)設(shè)計指標，電源電路應(yīng)具有 2537V/18V 電壓變換功能。反饋校正裝置則根據(jù)輸入電壓的變化，自動穩(wěn)定輸出電壓和電流。為后接模塊提供穩(wěn)定的電壓和電流。閉環(huán)反饋原理如圖 32。+V i nQ fCfLRDU oAH ( s )V r e f+G c ( s )脈 寬調(diào) 制圖 32 閉環(huán)反饋原理圖采樣值輸出電壓和基準電壓值的差值傳送到誤差放大器，經(jīng)過 PID 控制器、PWM 調(diào)制控制開關(guān)管的工作，從而維持輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)定值，還在一定范圍內(nèi)有去除小干擾的功能。設(shè) PWM 的載波幅度為 1，那么開環(huán)系統(tǒng)函數(shù)為：F(s)=G vd(s)*H(s)*Gc(s)。補償環(huán)節(jié) GZ(s)的設(shè)計采用 K 因子法，G C(s)采用 PID 調(diào)節(jié)器。 （311）12()/)(/)bczzc ppss????其中： （312）12122,ccczpcff fKK???????第三章 電源電路的研究與設(shè)計 9 （313）1212,1(3)31(2)c zz pbpKGRCRCRC?????????硬件電路圖如圖 33。圖 33 補償回路fC的大小與系統(tǒng)的響應(yīng)速度快慢有關(guān)， fC的值越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度就會越快；但是為了抑制開關(guān)頻率而產(chǎn)生的的干擾，f C應(yīng)該取較小值。因此 fC要綜合考慮，取 fC=。本設(shè)計選取基準參考電壓 Vref 為 9V，那么由 Gb = 1/(Gvd(fc)*H(fc))可得Gb 值為 ；補償系統(tǒng)函數(shù)：H(s)取值 1/2。當 fC為 時，G vd(s)的相位為148176。，此處取相位裕度為 60176。所以 （314）6018(90)148)b????????由公式 （315）2(arctn)arctn(/)K得 K= 。 根據(jù)式 312 確定零極點值，結(jié)果為：c=948280， z1= z2=， p1= p2=。???取 Rbias=1KΩ，R1=1KΩ,以上元件的具體參數(shù)可以通過公式求得：C1=，C2=，C3=，R2=，R3=。 電路設(shè)計根據(jù)上節(jié)參數(shù)設(shè)計反饋系統(tǒng)電路圖，如圖 34。第三章 電源電路的研究與設(shè)計 10 電源電路的設(shè)計電源電路整機采用 BUCK 主電路和反恐控制電路實現(xiàn)。主電路實現(xiàn)可變輸入電壓下的電壓變換，在輸入電壓發(fā)生變化的情況下，反饋回路自動校正輸出電壓圖 34 反饋系統(tǒng)電路和電流，使電壓輸出穩(wěn)定在 18V，電流輸出穩(wěn)定在 2A，電路如圖 35。圖 35 電源模塊電路主電路通過開關(guān)管、電容、電感實現(xiàn)降壓變換，將輸入電壓變換至 18V 左右，補償電路采用兩個 1KΩ 的電阻實現(xiàn)，PID 控制器的基準電壓為 9V，由蓄電池通過分壓得到，控制開關(guān)管的 PWM 信號由 PIC16C7116/P 單片機產(chǎn)生。第四章 充電電路的設(shè)計 11 第四章 充電電路的設(shè)計 充電電路原理概述 UC3906DW 介紹充電電路基于 UC3906DW 設(shè)計實現(xiàn)。圖 41 為芯片 UC3906DW 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，作為專用電源管理芯片，其內(nèi)部集成限流電路和控制電路。由于芯片驅(qū)動管腳輸出電流可以大于 25mA，因此能夠驅(qū)動外接的開關(guān)管，從而控制電路的輸出電壓和電路，電池的充電狀態(tài)可以通過內(nèi)部檢測比較器來檢測。圖 41 UC3906DW 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 6GFM200 特性分析6GFM200 是 GS(M)系列高性能電池，它同時也是經(jīng) ISO9001 認證的高可靠性電池，按照額定電壓分類，則可以分為 6V 和 12V 兩種，個鐘型號的容量從10Ah200Ah 不等。其應(yīng)用分布廣泛，例如可應(yīng)用于應(yīng)急照明領(lǐng)域、光伏發(fā)電存儲系統(tǒng)、通信信息系統(tǒng)領(lǐng)域、應(yīng)急 UPS 系統(tǒng)、航空工業(yè)領(lǐng)域等。6GFM200 蓄電池還具有使用壽命長、自放電低、安全系數(shù)高、綠色環(huán)保等特點。其電池特性如表 41，恒定功率放電時刻表如表 42。第四章 充電電路的設(shè)計 12 表 41 電池主要特性表20HR 200Ah10HR 190Ah5HR 164Ah容量(25℃)1HR 110Ah內(nèi)阻(完全充電狀態(tài)) ?(25℃)40℃ 109%25℃ 100%0℃ 88%不同溫度下蓄電池的容量15℃ 76%容量保存率(25℃) 儲存期 3 個月 92%循環(huán) ,不大于 40A充電特性(25℃)浮充 ,不大于 40A表 42 恒定功率放電時刻表終止電壓 (伏/單體) 30M 40M 50M 60M 2H 3H 5H 8H 10H 20H 316 260 226 206 125 334 276 238 216 129 348 288 248 222 132 364 298 258 224 134 376 302 262 228 135 408 308 268 234 136 充電原理傳統(tǒng)的充電器由于充電電流不穩(wěn)定，有時候甚至充電電流很太，容易損壞電池。當充電電路檢測到電池的電壓或放電電流小于放電設(shè)定值的時候,充電器通過控制比較器調(diào)節(jié)電路，使之變?yōu)槌潆姞顟B(tài)；而且，該比較器還能在驅(qū)動器截止時輸出 25~30mA 的充電小電流，因此，短時間的電池反接或者是充電電路短路，產(chǎn)生的電流也非常小，不足以損壞蓄電池。能夠提供精準的內(nèi)部基準電壓是 UC3906DW 最大的特點，而且其可以根據(jù)外界環(huán)境溫度的改變發(fā)生變化。由于蓄電池的電壓特性也隨溫度變化，如其 4 mV/℃的負溫度特性，而且溫度過高或者過低都會大大影響其工作特性，溫度過高時（高于 46℃） ，蓄電池就可能會由于過充電而發(fā)生損壞，同樣在溫度很低的情況下，例如在地獄 0℃時，就可能引起不能完全充電的現(xiàn)象，對于鉛蓄電池而言，其工作溫度在 25℃左右。然而因為 UC3906DW 的溫度特性與蓄電池一第四章 充電電路的設(shè)計 13 致，可以彌補蓄電池對環(huán)境溫度比較敏感這一缺陷。功耗對一個電路設(shè)計也是非常重要的，UC3906DW 的工總電流為 1. 7mA，可大大減小系統(tǒng)自身帶來的損耗，以最低的開銷實現(xiàn)溫度參數(shù)的精確檢測。UC3906DW 對溫度特性的補償可以使蓄電池工作溫度范圍變得更寬，甚至能達到 0 ~ 70℃ 之大，大大提高了充電電路對環(huán)境溫度的適應(yīng)性?；?UC3906DW 搭建的充電電路，有三種工作狀態(tài)，分別是大電流恒流充電、低電壓恒壓浮充和高電壓過充電。剛開始蓄電池電量低，充電電路以較大值的電流對電池進行充電，同時對電池電壓進行不間斷檢測。當電池電量充到了總量的 90%左右時，即電池電壓達到預(yù)定轉(zhuǎn)換電壓，則充電器會自動轉(zhuǎn)換至過充電狀態(tài)。在過充電狀態(tài)下，電路輸出電壓基本恒定不變，此時充電電流會不斷變小。隨著充電電流的變小，電池也在繼續(xù)不斷充電，當電流繼續(xù)降低至預(yù)定終止電流時，輸出電壓也隨之下降到了浮充電壓,同時電池的容量也充到了額定電量的 100%。 充電電路設(shè)計本設(shè)計選用的是 12V200Ah 的鉛蓄電池，根據(jù)上節(jié)論述的原理，設(shè)計出如圖42 的充電電路。其中，充電電路的各個狀態(tài)的閾值，以及輸出的電壓和電流的大小，都可以通過設(shè)置 RRRR6 和 R7 阻值加以設(shè)定。當在 25℃時，基準電壓 Vref為 時： (41)34(1)67Rocref?? (42))F (43) (44)3?當電池開始充電時，即充電電路由于電池電量不足或者輸出電壓下見到了浮充閾值電壓，充電電路立刻向電池提供很定大電流，使電池進入充電狀態(tài)，隨著充電過程的不斷進行，電池也由于電量增加其兩端的電壓也慢慢升高，再經(jīng) RR4 與 R6 分壓電阻分壓后加到引腳 13（即比較器反向輸入端） 。當分壓電壓上升至 Vref的 95%時候，充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換成為過充電，取樣比較器輸出低電平，同時，過充電指示端輸出低電平。過充電狀態(tài)下，電池電壓繼續(xù)升高，隨著電池電壓上升至過充電閾值時，開始進行恒壓充電，并且輸出電壓穩(wěn)定在過第四章 充電電路的設(shè)計 14 充電閾值。進入恒壓充電狀態(tài)之后，電路輸出端的輸出電流開始變小，最終維持穩(wěn)定不變，充電過程完成。圖 42 充電控制電路第五章 驅(qū)動電路的研究與設(shè)計 15 第五章 驅(qū)動電路的研究與設(shè)計 SA7527A功率校正芯片介紹SA7527A 芯片內(nèi)部集成有校正電路，可以校正輸出功率。此電路不用外接R/C 濾波器，它的內(nèi)部集成了一個內(nèi)置的 R/C 濾波電路和電流感應(yīng)電路。同時SA7527A 具有低功耗特性，加上其小體積非常適合應(yīng)用于高密度電源的制作，末端的輸出驅(qū)動器鉗位電路，還能偶限制功率管的驅(qū)動閾值，因此電路具有很高的可靠性。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 51。管腳描述如表 51。圖 51 SA7527A 結(jié)構(gòu)圖由于 SA7527A 芯片內(nèi)部的豐富資源，可以設(shè)計出基于 SA7527A 的 LED 功率驅(qū)動電路，并且電路具有結(jié)構(gòu)簡潔、穩(wěn)定性可靠、功率因數(shù)高和低成本的特點。主要包括以下幾個特性：（1）寬電壓輸入特性；（2）溫度補償和光衰補償特性；（3）恒流和恒壓特性。 原理概述與電路設(shè)計 原理概述模塊采用 25W 負載為參考，通過分析 LED 燈管的工作特性,設(shè)計出功率驅(qū)動電路。LED 使用總量為 100