dsPIC33F设计的连接电网的太阳能逆变器

本文介绍了dsPIC33F系列主要特性，系列产品方框图以及连接电网的220W太阳能微型逆变器参考设计，包括主要特性和指标，参考设计方框图，设计板电路图和材料清单（BOM）。

dsPIC33F系列是高性能16 位数字信号控制器（DSC），采用改进型哈佛架构和C 编译器优化指令集，具有16 位宽数据总线和24 位宽指令，3.0-3.6V 时的工作速度达40MIPS，适用于多回路开关电源（SMPS）和其它数字电源转换器如AC/DC转换器，DC/DC转换器，功率因素修正（PFC），不间断电源（UPS），逆变器，嵌入电源控制器和数字照明等。

高性能16 位数字信号控制器主要特性:

工作范围：

• 最高40 MIPS 的工作速度（3.0-3.6V 时）：

- 工业级温度范围（-40℃ 至+85℃）

- 扩展级温度范围（-40℃ 至+125℃）

高性能数字信号控制器（Digital Signal Controller，DSC）CPU：

• 改进型哈佛架构

• C 编译器优化指令集

• 16 位宽数据总线

• 24 位宽指令

• 可寻址最大4M 指令字的线性程序存储空间

• 可寻址最大64 KB 的线性数据存储空间

• 83 条基本指令：多为单字/ 单周期指令

• 两个带舍入和饱和选项的40 位累加器

• 灵活而强大的寻址模式：

- 间接寻址

- 模寻址

- 位反转寻址

• 软件堆栈

• 16 x 16 位小数/ 整数乘法运算

• 32/16 位和16/16 位除法运算

• 单周期乘- 累加运算：

- DSP运算的累加器回写操作

- 双数据取操作

• 可将最多40 位数据左移或右移最多16 位

数字I/O：

• 外设引脚选择功能

• 最多35 个可编程数字I/O 引脚

• 最多30 个引脚上具有唤醒/ 电平变化中断功能

• 输出引脚可驱动3.0V 至3.6V 的电压

• 漏极开路配置、最高5V 的输出

• 数字输入引脚可耐受5V 的电压（RB5 除外）

• 所有PWM 引脚的拉/ 灌电流为16 mA片上闪存和SRAM：

• 闪存程序存储器（最大16 KB）

• 数据SRAM （最大2 KB）

• 闪存程序存储器的引导和通用安全性外设特性：

• 定时器/ 计数器，最多3 个16 位定时器

- 最多可以配对成1 个32 位定时器

• 输入捕捉（最多2 路通道）：

- 上升沿捕捉、下降沿捕捉或上升/ 下降沿捕捉

- 16位捕捉输入功能

- 每路捕捉通道都带有4 级深度的FIFO 缓冲区

• 输出比较（最多2 路通道）：

- 单次或两次16 位比较模式

- 16位无毛刺PWM 模式

• 4 线SPI：

- 帧支持与简单编解码器的I/O 接口

- 1级深度FIFO 缓冲区

- 支持8 位和16 位数据

- 支持所有串行时钟格式和采样模式

• I2C™：

- 支持完全的多主机从模式

- 7位和10 位寻址

- 总线冲突检测和仲裁

- 集成信号调理

- 从地址掩码

• UART：

- 检测到地址位时产生中断

- 出现UART 错误时产生中断

- 检测到启动位时将器件从休眠模式唤醒

- 4字符深的发送和接收FIFO 缓冲区

- LIN总线支持

- 硬件IrDA® 编码和解码

- 高速波特率模式

- 使用CTS 和RTS 的硬件流控制

中断控制器：

• 中断响应延时为5 个周期

• 118 个中断向量

• 最多35 个中断源

• 最多3 个外部中断

• 7 个可编程优先级

• 4 个处理器异常

高速PWM 模块特性：

• 最多支持4 个PWM 发生器，能提供4-8 路输出

• 8 路PWM 输出的每一路都具有独立的时基和占空比

• 上升沿和下降沿死区

• 占空比分辨率为1.04 ns

• 死区分辨率为1.04 ns

• 相移分辨率为1.04 ns

• 频率分辨率为1.04 ns

• 支持的PWM 模式：

- 标准边沿对齐

- 真正独立输出

- 互补

- 中心对齐

- 推挽

- 多相

- 可变相位

- 固定关断时间

- 电流复位

- 限流

• 用于8 路PWM 输出的独立故障/ 限流输入

• 输出改写控制

• 特殊事件触发器

• PWM 捕捉功能

• 输入时钟的预分频器

• 由PWM 模块送至ADC （analog-to-digital converter， ADC）的双路触发信号

• PWMxL 和PWMxH 输出引脚交换

• PWM4H 和PWM4L 引脚可重映射

• 可在运行过程中更改PWM 频率、占空比和相移

• 各独立PWM 发生器的禁止

• 前沿消隐（Leading-Edge Blanking，LEB）功能高速模拟比较器

• 最多4 个模拟比较器：

- 20 ns 响应时间

- 与每个模拟比较器相关的10 位DAC

- 提供DAC 输出的DACOUT 引脚

- 可编程的输出极性

- 可选择输入信号源

- ADC采样和转换功能

• 与PWM 模块的接口：

- PWM占空比控制

- PWM周期控制

- PWM故障检测

高速10 位ADC

• 10 位分辨率

• 最多12 路输入通道可组成6 个转换对

• 两个内部参考电压监控输入组成一对内部模拟输入

• 用于并行转换模拟输入对的逐次逼近型（Successive Approximation Register， SAR）转换器：

- 对于带两个SAR 的器件，转换速率为4 Msps

- 对于带一个SAR 的器件，转换速率为2 Msps

• 用于每路模拟通道的专用结果缓冲区

• 用于每个模拟输入转换对的独立触发源

功耗管理：

• 片上2.5V 稳压器

• 实时时钟源切换

• 可快速唤醒的空闲、休眠和打盹模式

CMOS 闪存技术：

• 低功耗高速闪存技术

• 全静态设计

• 3.3V （±10%）工作电压

• 工业级和扩展级温度

• 低功耗

系统管理：

• 灵活的时钟选择：

- 外部振荡器、晶振、谐振器和内部RC 振荡器

- 带120 MHz 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）的锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）

- 3 MHz至40 MHz 范围内的主晶振

- 频率为32 kHz 的内部低功耗RC （Low-Power RC， LPRC）振荡器

- 频率为7.37 MHz 的内部快速RC （Fast RC， FRC）振荡器

• 上电复位（Power-on Reset， POR）

• 欠压复位（Brown-out Reset， BOR）

• 上电延时定时器（Power-up Timer， PWRT）

• 振荡器起振定时器（Oscillator Start-up Timer，OST）

• 自带RC 振荡器的看门狗定时器

• 故障保护时钟监视器（FSCM）
• 多个复位源

• 在线串行编程（In-Circuit Serial Programming™ ， ICSP™）

封装：

• 18 引脚SOIC

• 28 引脚SPDIP/SOIC/QFN-S

• 44 引脚TQFP/QFN


图1。dsPIC33F系列产品方框图

连接电网的太阳能微型逆变器参考设计

Grid-Connected Solar Micro Inverter Reference Design

This reference design demonstrates the flexibility and power of SMPS dsPIC® Digital Signal Controllers in Grid connected power conversion systems. This reference design works with any photovoltaic (PV) panel of maximum 220 Watts having open circuit voltage between 25V to 55V DC. This reference design ensures maximum power tracking for PV panel voltage between 25V to 45V DC. Two versions of this reference design is available to support 110V and 220V Grid.

图2。连接电网的太阳能系列框图

This reference design is implemented using a single dsPIC33F “GS” digital-power DSCs from Microchip that provides the full digital control of the power conversion and system management functions. As shown in this reference design the dsPIC33F ‘GS’ devices enable designers to easily and cost effectively create products using advanced switching techniques that lower switching losses and enable efficiencies as high as 95%. Grid-Connected Solar Micro Inverter Reference Design is royalty free when used in accordance with the licensing agreement.

连接电网的太阳能微型逆变器参考设计主要特性：

Peak efficiency of 95%

Output current THD < 5%

Power factor >0.95

Maximum power point tracking

Grid voltage and frequency tracking

Protection against various current and voltage faults

Night time power consumption <1W

System Islanding to detect grid failure

Full Digital Control

连接电网的太阳能微型逆变器参考设计指标：

Micro Inverter for individual PV Module up to 220W

Wide PV Panel voltage : 25V to 55V DC

Maximum Power Point Tracking voltage: 25V to 45V

Maximum DC short circuit current : 10A

Grid Frequency range :

47 – 53 Hz for 220V systems

57 – 63 Hz for 110V systems

Grid voltage range :

90V – 140V for 110V systems

180V – 264V for 220V systems

230V太阳能微型逆变器系统指标：

• Maximum output power = 185 watt

• Nominal output voltage = 230V

• Nominal output current = 0.8A

• Output voltage range = 180 VAC-264 VAC

• Output frequency nominal frequency = 50 Hz

• Output frequency range = 47 Hz-53 Hz

• Power factor = >0.95

• Total harmonic distortion = <5%

• Efficiency

- Peak efficiency = 95%

- Maximum Power Point tracking = 99.5%

- Minimum efficiency>0.8

110V太阳能微型逆变器系统指标：

• Maximum output power = 185 watt

• Nominal output voltage = 110V

• Nominal output current = 1.7A

• Output voltage range = 90 VAC-140 VAC

• Output frequency nominal frequency = 60 Hz

• Output frequency range = 57 Hz-63 Hz

• Power factor = >0.95

• Total harmonic distortion = <2%

图3。连接电网的太阳能微逆变器参考设计外形图

图4。连接电网的太阳能微逆变器参考设计方框图（1）

图5。连接电网的太阳能微逆变器参考设计方框图（2）

图6。连接电网的太阳能微逆变器参考设计板外形图

图7。连接电网的太阳能微逆变器参考设计板电路图（1）

图8。连接电网的太阳能微逆变器参考设计板电路图（2）

图9。连接电网的太阳能微逆变器参考设计板电路图（3）

图10。连接电网的太阳能微逆变器参考设计板电路图（4）

图11。连接电网的太阳能微逆变器参考设计板电路图（5）