高效光伏控制：基于NXP LPC5536的MPPT方案解析

前言

『在不断增长的能源需求以及持续变化的气候条件下，能源消费结构正加速向低碳化发展，可再生能源在整个能源中的占比不断提高。太阳能是一种优质的可再生能源，可以通过光伏电池将光能转化为电能。在转化的过程中，为了提升能量的利用率，需要给光伏电池配置功率优化器，从而实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT），因此，也可以称之为 MPPT 控制器。下面将会对基于 NXP LPC5536 的光伏 MPPT 控制方案进行介绍。

光伏相关原理介绍

硅基太阳能电池是目前市场上主流的光伏电池产品，其中的有效结构是 P-N 结，当太阳光照射 P-N 结时，由于光生伏打效应，产生光电子-空穴对，在 P-N 结内建电场的作用下形成光生电场，从而实现光能到电能的转换。根据光伏电池的原理进行模型简化，可以得到如下模型：

图1. 光伏电池简化模型

需要说明的是：

IL 是光伏电池受到光照后产生的光电流；

由于光电流相对于 P-N 结正向偏置，因此在向负载输出时有一部分电流会流经 P-N 结，等效为电流 ID；

由于光伏电池自身的缺陷，有一部分电流会在内部消耗掉，等效为并联电阻 Rp；

由于光伏电池连接处以及线路上会产生一定的损耗，可以将其等效为串联电阻 Rs；

通过对光伏电池的模型进行分析，可以得到它的 I-V 特性曲线以及 P-V 特性曲线，如下图所示：

图2. 光伏电池特性曲线

说明如下：

光伏电池在最大功率点 Pmpp 时的输出功率最大；

I-V 曲线与纵轴的交点是光伏电池的短路电流 Isc，当负载短路时，测得的输出电流即为短路电流；

I-V / P-V 曲线与横轴的交点是光伏电池的开路电压 Voc，当负载开路时，测得的输出电压即为开路电压；

光伏电池的输出特性主要受到光照强度和温度的影响，光照强度主要影响光伏电池的短路电流，温度主要影响光伏电池的开路电压。

图3. 光伏电池不同光强条件下的 P-V 特性曲线

在温度为 25 ℃，不同的光强条件下，光伏电池的 P-V 特性曲线如图所示，最大功率随光强的增大而增大。

图4. 光伏电池不同温度条件下的 P-V 特性曲线

在实际应用中，由于外界条件的变化，光伏电池无法始终工作在最大功率点，从而产生能量的浪费。通过 DC/DC 电路以及 MPPT 算法，可以动态改变输出状态，使得光伏电池始终工作在最大功率点附近，从而实现能量的高效利用。

MPPT 的主流控制算法主要包括比例系数法（如开路电压比例系数法、短路电流比例系数法等）、扰动观察法（Perturb and Observe, P&O）和电导增量法（Incremental Conductance，INC）等。

在本方案中，使用扰动观察法实现了 MPPT 控制。

光伏电池的 P-V 特性曲线是以最大功率点为峰值的单一峰值函数，在扰动观察法中，通过周期性地施加扰动，使得光伏电池的工作点在 P-V 特性曲线上移动，根据光伏电池输出电压变化（ΔV）和光伏电池输出功率变化（ΔP）的情况判断正确的电压变化方向，使得光伏电池的工作点逐渐向最大功率点移动，并在最大功率点附近工作，从而实现 MPPT控制。

图5. 扰动观察法原理

在曲线的左段，当工作点朝着最大功率点移动时，ΔP>0，ΔV>0，此时需要继续增大输出电压，直到 ΔP<0；

在曲线的右段，当工作点朝着最大功率点移动时，ΔP>0，ΔV<0，此时需要继续减小输出电压，直到 ΔP<0。

由以上分析可知：① 若 ΔP>0，ΔV>0，需要增大光伏电池输出电压；②若ΔP<0，ΔV>0，需要减小光伏电池输出电压；③ 若 ΔP>0，ΔV<0，需要减小光伏电池输出电压；④ 若 ΔP<0，ΔV<0，需要增大光伏电池输出电压。因此，可以直接通过判断 ΔP * ΔV 的符号来进行输出电压的控制，若 ΔP * ΔV >0，增大控制电压，若 ΔP * ΔV <0，减小控制电压，算法流程图如下图所示：

图6. 扰动观察法流程图

NXP 光伏 MPPT 控制方案分析

在光伏系统中，根据光伏系统是否接入电网，可以分为离网型光伏系统和并网型光伏系统。MPPT控制器作为系统的前端部分，对光伏电池转换的电能进行预处理，提升能量的利用率，并使用电池作为储能设备，将多余的电能储存起来。本方案以离网型光伏系统为研究对象进行设计，输出端可以连接电池和直流负载。

图7. 离网型光伏系统

图8. 并网型光伏系统

下图是 NXP 光伏 MPPT 方案的系统框图：

图9. NXP 光伏 MPPT 方案系统框图

方案组成：

主控MCU：LPC5536 是基于 Cortex-M33 内核，主频最高 150MHz；256 KB 的片上 Flash 及 128KB 的片上 SRAM；2 * 16 位 ADC 模块，最高 2Msps 采样率，每个 ADC 模块支持最多 8 差分或者 16 单端通道；2 * FlexPWM 模块，每个 FlexPWM 模块有 4 个子模块，每个子模块可用于控制一个半桥；其他丰富的外设以及 GPIO；提供 HVQFN48、HTQFP64、HLQFP100 等多种封装；

其他推荐产品：

光伏板：系统的能源输入，通过辅助电源为系统供电；

电压及电流采样电路：采集 Boost 电路的输入及输出端的电压电流信息，为 MPPT 控制提供所需参数。电压采样通过分压电阻得到，电流采样通过采样电阻以及电流采样放大器得到，最终均输入到 LPC5536 的 ADC 模块进行采集；

Boost 电路：实现 MPPT 控制的核心部分。经 MPPT 算法计算后转化为 PWM 占空比，通过栅极驱动器驱动 Boost 电路中的 MOSFET，实现对光伏电池输出的控制；

充电芯片：管理 24V 电池的充电过程，也可以通过 LPC5536 实现开关控制以及充电电流控制；

24V 电池：储能系统常用的电池包，用于存储光伏电池转化的电能，并为直流负载提供电源；

按键及 LCD：按键和 LCD 分别作为人机交互的输入和界面显示，方便用户进行系统参数的设置以及观察系统的运行状态；』（注1）

硬件组成

『按照硬件功能，可以将硬件电路分成下面四个部分：

电源电路（POWER）；

最大功率点跟踪电路（MPPT）；

单片机控制电路（MCU）；

充电控制电路（CHARGE）。

其中，电源电路为整个系统提供所需的电压，电源电路框图如下图所示，电源有 4 个输入通道：光伏板、外接电源、Vbus （MPPT OUT 可以通过焊接方式与 Vbus 进行连接）以及电池，通过二极管连接并输入到 Vin，作为 DC/DC 的输入。其中，10V 用于栅极驱动，为 MPPT 电路提供驱动信号；3.3V 用于 MCU 相关的电路，通过 BUCK 电路降压到 5V 然后经 LDO 获得。

图10. 电源电路框图

其余三个部分的电路框图如下图所示：

图11. 其余三个部分电路框图

MPPT 电路拓扑结构采用同步 BOOST，通过 PWM 控制栅极驱动器驱动 MOSFET 从而实现最大功率点跟踪。输入端接 18V 光伏板，分别通过电流采样调理电路采集输入端电压和电流，并传入 MCU 的 ADC 完成信号采集；输出端可以直接连接到负载上，或者通过焊接的方式跨接到 Vbus 上，方便进行调试，输出端同样也包含了类似的电压电流采样电路。

充电控制电路使用 SC8802 芯片，支持 1 ~ 6 节锂电池的充放电，通过控制四开关管 BUCK-BOOST 对充电功率进行调整。MCU 可以通过 GPIO 和 PWM 对充电芯片进行控制，实现充电功能的开关，并控制充电电流。

MCU 控制电路主要包括 MCU 最小系统、人机交互相关外设（屏幕和按键）以及一些接口，屏幕采用 1.47 英寸的 SPI LCD，通过 3 个按键进行控制。另外，板载 LM75B 温度传感器，和 MCU 通过一组 I2C 接口进行通讯。SWD 接口用于程序的下载和调试，2 组 UART 接口用于串口调试，4 个预留的 GPIO 用于测试及附加功能。

将所用到的 MCU 资源进行总结，共使用了 5 * ADC，4 * PWM，1 * SPI，1 * I2C，1 * SWD，2 * UART，11 * I/O，另外预留了 4 个接口，可以用作 4 * I/O 或者2 * PWM 和 2 * ADC，具体情况如下表所示：

电路测试

图12. 电路实物图

因为 BOOST 是本方案中实现 MPPT 功能的主拓扑，所以 MOSFET 的驱动效果直接影响了最终的控制效果，下面对 BOOST 拓扑中 MOSFET 的驱动波形进行测量。由于 DC/DC 电路很容易产生干扰，需要尽可能减小接地环路的面积，使用示波器的接地弹簧进行测量，低边 MOSFET 的驱动波形如图 13(a) 所示，高边 MOSFET 的驱动波形如图 4(b) 所示：

图 13(a). 低边 MOSFET 驱动波形

图 13(b). 高边 MOSFET 驱动波形

小结

本文介绍了光伏的相关原理和 NXP 光伏 MPPT 方案，聚焦了 MPPT 方案的硬件设计部分，展现了如何通过组件与电路设计实现高效稳定的太阳能转换系统。后续我们将介绍该方案的软件设计部分，共同见证这一高效光伏 MPPT 解决方案的完整面貌！

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