前言

『在不斷增長的能源需求以及持續變化的氣候條件下，能源消費結構正加速向低碳化發展，可再生能源在整個能源中的占比不斷提高。太陽能是一種優質的可再生能源，可以通過光伏電池將光能轉化為電能。在轉化的過程中，為了提升能量的利用率，需要給光伏電池配置功率優化器，從而實現最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT），因此，也可以稱之為 MPPT 控制器。下面將會對基于 NXP LPC5536 的光伏 MPPT 控制方案進行介紹。

光伏相關原理介紹

硅基太陽能電池是目前市場上主流的光伏電池產品，其中的有效結構是 P-N 結，當太陽光照射 P-N 結時，由于光生伏打效應，產生光電子-空穴對，在 P-N 結內建電場的作用下形成光生電場，從而實現光能到電能的轉換。根據光伏電池的原理進行模型簡化，可以得到如下模型：

圖1. 光伏電池簡化模型

需要說明的是：

IL 是光伏電池受到光照后產生的光電流；

由于光電流相對于 P-N 結正向偏置，因此在向負載輸出時有一部分電流會流經 P-N 結，等效為電流 ID；

由于光伏電池自身的缺陷，有一部分電流會在內部消耗掉，等效為并聯電阻 Rp；

由于光伏電池連接處以及線路上會產生一定的損耗，可以將其等效為串聯電阻 Rs；

通過對光伏電池的模型進行分析，可以得到它的 I-V 特性曲線以及 P-V 特性曲線，如下圖所示：

圖2. 光伏電池特性曲線

說明如下：

光伏電池在最大功率點 Pmpp 時的輸出功率最大；

I-V 曲線與縱軸的交點是光伏電池的短路電流 Isc，當負載短路時，測得的輸出電流即為短路電流；

I-V / P-V 曲線與橫軸的交點是光伏電池的開路電壓 Voc，當負載開路時，測得的輸出電壓即為開路電壓；

光伏電池的輸出特性主要受到光照強度和溫度的影響，光照強度主要影響光伏電池的短路電流，溫度主要影響光伏電池的開路電壓。

圖3. 光伏電池不同光強條件下的 P-V 特性曲線

在溫度為 25 ℃，不同的光強條件下，光伏電池的 P-V 特性曲線如圖所示，最大功率隨光強的增大而增大。

圖4. 光伏電池不同溫度條件下的 P-V 特性曲線

在實際應用中，由于外界條件的變化，光伏電池無法始終工作在最大功率點，從而產生能量的浪費。通過 DC/DC 電路以及 MPPT 算法，可以動態改變輸出狀態，使得光伏電池始終工作在最大功率點附近，從而實現能量的高效利用。

MPPT 的主流控制算法主要包括比例系數法（如開路電壓比例系數法、短路電流比例系數法等）、擾動觀察法（Perturb and Observe, P&O）和電導增量法（Incremental Conductance，INC）等。

在本方案中，使用擾動觀察法實現了 MPPT 控制。

光伏電池的 P-V 特性曲線是以最大功率點為峰值的單一峰值函數，在擾動觀察法中，通過周期性地施加擾動，使得光伏電池的工作點在 P-V 特性曲線上移動，根據光伏電池輸出電壓變化（ΔV）和光伏電池輸出功率變化（ΔP）的情況判斷正確的電壓變化方向，使得光伏電池的工作點逐漸向最大功率點移動，并在最大功率點附近工作，從而實現 MPPT控制。

圖5. 擾動觀察法原理

在曲線的左段，當工作點朝著最大功率點移動時，ΔP>0，ΔV>0，此時需要繼續增大輸出電壓，直到 ΔP<0；

在曲線的右段，當工作點朝著最大功率點移動時，ΔP>0，ΔV<0，此時需要繼續減小輸出電壓，直到 ΔP<0。

由以上分析可知：① 若 ΔP>0，ΔV>0，需要增大光伏電池輸出電壓；②若ΔP<0，ΔV>0，需要減小光伏電池輸出電壓；③ 若 ΔP>0，ΔV<0，需要減小光伏電池輸出電壓；④ 若 ΔP<0，ΔV<0，需要增大光伏電池輸出電壓。因此，可以直接通過判斷 ΔP * ΔV 的符號來進行輸出電壓的控制，若 ΔP * ΔV >0，增大控制電壓，若 ΔP * ΔV <0，減小控制電壓，算法流程圖如下圖所示：

圖6. 擾動觀察法流程圖

NXP 光伏 MPPT 控制方案分析

在光伏系統中，根據光伏系統是否接入電網，可以分為離網型光伏系統和并網型光伏系統。MPPT控制器作為系統的前端部分，對光伏電池轉換的電能進行預處理，提升能量的利用率，并使用電池作為儲能設備，將多余的電能儲存起來。本方案以離網型光伏系統為研究對象進行設計，輸出端可以連接電池和直流負載。

圖7. 離網型光伏系統

圖8. 并網型光伏系統

下圖是 NXP 光伏 MPPT 方案的系統框圖：

圖9. NXP 光伏 MPPT 方案系統框圖

方案組成：

主控MCU：LPC5536 是基于 Cortex-M33 內核，主頻最高 150MHz；256 KB 的片上 Flash 及 128KB 的片上 SRAM；2 * 16 位 ADC 模塊，最高 2Msps 采樣率，每個 ADC 模塊支持最多 8 差分或者 16 單端通道；2 * FlexPWM 模塊，每個 FlexPWM 模塊有 4 個子模塊，每個子模塊可用于控制一個半橋；其他豐富的外設以及 GPIO；提供 HVQFN48、HTQFP64、HLQFP100 等多種封裝；

其他推薦產品：

光伏板：系統的能源輸入，通過輔助電源為系統供電；

電壓及電流采樣電路：采集 Boost 電路的輸入及輸出端的電壓電流信息，為 MPPT 控制提供所需參數。電壓采樣通過分壓電阻得到，電流采樣通過采樣電阻以及電流采樣放大器得到，最終均輸入到 LPC5536 的 ADC 模塊進行采集；

Boost 電路：實現 MPPT 控制的核心部分。經 MPPT 算法計算后轉化為 PWM 占空比，通過柵極驅動器驅動 Boost 電路中的 MOSFET，實現對光伏電池輸出的控制；

充電芯片：管理 24V 電池的充電過程，也可以通過 LPC5536 實現開關控制以及充電電流控制；

24V 電池：儲能系統常用的電池包，用于存儲光伏電池轉化的電能，并為直流負載提供電源；

按鍵及 LCD：按鍵和 LCD 分別作為人機交互的輸入和界面顯示，方便用戶進行系統參數的設置以及觀察系統的運行狀態；』（注1）

硬件組成

『按照硬件功能，可以將硬件電路分成下面四個部分：

電源電路（POWER）；

最大功率點跟蹤電路（MPPT）；

單片機控制電路（MCU）；

充電控制電路（CHARGE）。

其中，電源電路為整個系統提供所需的電壓，電源電路框圖如下圖所示，電源有 4 個輸入通道：光伏板、外接電源、Vbus （MPPT OUT 可以通過焊接方式與 Vbus 進行連接）以及電池，通過二極管連接并輸入到 Vin，作為 DC/DC 的輸入。其中，10V 用于柵極驅動，為 MPPT 電路提供驅動信號；3.3V 用于 MCU 相關的電路，通過 BUCK 電路降壓到 5V 然后經 LDO 獲得。

圖10. 電源電路框圖

其余三個部分的電路框圖如下圖所示：

圖11. 其余三個部分電路框圖

MPPT 電路拓撲結構采用同步 BOOST，通過 PWM 控制柵極驅動器驅動 MOSFET 從而實現最大功率點跟蹤。輸入端接 18V 光伏板，分別通過電流采樣調理電路采集輸入端電壓和電流，并傳入 MCU 的 ADC 完成信號采集；輸出端可以直接連接到負載上，或者通過焊接的方式跨接到 Vbus 上，方便進行調試，輸出端同樣也包含了類似的電壓電流采樣電路。

充電控制電路使用 SC8802 芯片，支持 1 ~ 6 節鋰電池的充放電，通過控制四開關管 BUCK-BOOST 對充電功率進行調整。MCU 可以通過 GPIO 和 PWM 對充電芯片進行控制，實現充電功能的開關，并控制充電電流。

MCU 控制電路主要包括 MCU 最小系統、人機交互相關外設（屏幕和按鍵）以及一些接口，屏幕采用 1.47 英寸的 SPI LCD，通過 3 個按鍵進行控制。另外，板載 LM75B 溫度傳感器，和 MCU 通過一組 I2C 接口進行通訊。SWD 接口用于程序的下載和調試，2 組 UART 接口用于串口調試，4 個預留的 GPIO 用于測試及附加功能。

將所用到的 MCU 資源進行總結，共使用了 5 * ADC，4 * PWM，1 * SPI，1 * I2C，1 * SWD，2 * UART，11 * I/O，另外預留了 4 個接口，可以用作 4 * I/O 或者2 * PWM 和 2 * ADC，具體情況如下表所示：

電路測試

圖12. 電路實物圖

因為 BOOST 是本方案中實現 MPPT 功能的主拓撲，所以 MOSFET 的驅動效果直接影響了最終的控制效果，下面對 BOOST 拓撲中 MOSFET 的驅動波形進行測量。由于 DC/DC 電路很容易產生干擾，需要盡可能減小接地環路的面積，使用示波器的接地彈簧進行測量，低邊 MOSFET 的驅動波形如圖 13(a) 所示，高邊 MOSFET 的驅動波形如圖 4(b) 所示：

圖 13(a). 低邊 MOSFET 驅動波形

圖 13(b). 高邊 MOSFET 驅動波形

小結

本文介紹了光伏的相關原理和 NXP 光伏 MPPT 方案，聚焦了 MPPT 方案的硬件設計部分，展現了如何通過組件與電路設計實現高效穩定的太陽能轉換系統。后續我們將介紹該方案的軟件設計部分，共同見證這一高效光伏 MPPT 解決方案的完整面貌！

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