【光伏发电系统前级DC-DC变换器分析3000字】

光伏发电系统前级DC-DC变换器分析本章将对与光伏组件相连接的前级DC/DC变换器进行研究，针对光伏发电系统对拓扑的要求:1.首先给出DC/DC变换器的各部分原理框图，再对这些原理框图进行简单的理论说明，最后将各部分原理框图整合成Boost升压电路电路原理图。2在AltiumDesigner软件上搭建此系统框图的电路原理图，并给出伴随的电流检测电路和电压测量电路的电路原理图。1.在AltiumDesigner软件上设计出PCB版图，实现理论与实践的结合。1.1Boost电路原理框图总体介绍图1.1原理框图图1.1是Boost升压电路的原理框图，该原理框图的组成以TPS61165为主，图1.2是TPS61165的内部原理图，通过改变跳线的连接，可以实现LED恒流驱动、恒压源输出和负压输出。由TIVA产生的PWM，可以控制TPS61165的CTRL端，这样可以达到控制恒流源与恒压源输出大小的目的。电源电压检测部分：以OPA330为中心的电压测量电路，可以起到电压跟随的作用，这样TIVA能够更准确的采到实际电压值。电流检测电路：以INA213为中心，实现高测电流检测。图1.2TPS61165内部原理图1.2升压电路各部分框图介绍应用于DC/DC升压变换器的Boost升压电路共由三个部分组成：恒流源驱动LED串、恒压源输出、负压生成。1.2.1恒流源驱动LED串图1.3恒流源驱动LED串的电路原理图开关电源是用半导体器件作为开关，将一种形式的电源转换成另一种形式的电源。它具有频率高、功耗低、工作效率高、体积小、输入范围宽等特点。它还可以通过闭环系统调节，使输出电压保持稳定。

基于TPS61165搭建的电路是Boost型开关电源电路。开关电源芯片TPS61165采用类型为MOSFET的开关器件，它的开关频率达到1.2MHZ。在MOSFET关闭时，电感L1和电源给电容C5充电;当MOSFET导通时，等效于将L1的一端接地，L1此时释放能量。和Boost型升压电路工作原理一样，通过对电感L1和电容C5充放电来实现电压的转换。同时，该电路在FB端形成闭环通路，可以将电压的稳定的输出去。

电压调节方式:本实验采用PWM控制CTRL对电压进行调节。一定占空比的PWM波形在芯片的CTRL端被直接送入，改变芯片内部误差放大器的输入电压，从而达到改变电源电压的大小的目的。这种控制的方法操作简单、容易实现，通过改变占空比即可达到调节电压的大小的目的。

电流检测电路:此电路采用高测电流测量。INA213是一种共模高，失调电压小，温度漂移特性好的运算放大器。上图1.3为恒流源驱动LED串的电路原理图。1.2.2恒压源输出图1.4恒压源输出的电路原理图恒压源输出的是开关电源能输出稳定的电压，而且电压不会随着负载的变化而变化。需要注意的，当恒流控制操作外接负载时，负载是外接负载。但是，在恒压源输出时，负载不能仅仅是外接负载，这是因为输出的电压会在外接负载的影响下发生钳位，导致电源功率芯片偏离正常工作的轨道。因此，采用功率电阻作为负载进行试验来测试恒压源的输出和调节恒压输出的大小。

恒压输出的实现:在反馈端和地之间可以接入电阻，这样电阻两端的电压就可以被控制在一个确定值。由于运放放大器反相输入端输入电流和输出电流几乎为零，因此这样就可以计算出流过反馈端的电流。另一个电阻在反馈端前接入实现将电压提高的效果。因为反馈端的电压是恒定的，所以这样流过电阻的电流也是恒定，所以这样电阻两端产生电压也恒定，通过这步操作，可以实现恒压源的输出。

电压检测电路:由于输出电压较大，数据很难被单片机直接采集到，这就需要对电压进行分压。但是分压后的信号输出阻抗比较大，如果信号直接被单片机采样，这种操作就可能造成信号的衰减，影响测量精度。为此，为了避免对ADC输入阻抗的影响，我们需要增加一级由OPA330运放搭建的电压跟随电路，通过增加OPA330电压跟随电路，我们可以提高采样精度。在OPA330电压跟随电路中，一个电阻和一个电容被并联在运放的反相输入端和输出之间，这样可以使电压跟随电路工作更加稳定。图1.4为恒压源输出的电路原理图。1.2.3负压生成图1.5负压生成的电路原理图负压的产生是通过负压生成电路借用二倍压电路实现的。当MOSFET的导通时，在TPS61165的SW端就会不断的产生低电平电压，当MOSFET的关断时，在TPS61165的SW端就会不断的产生高电平电压。当MOSFET关断时，在SW端产生高电平，电流经过接地端到地。当MOSFET导通时，电流从地，经过右侧电容、上侧二极管、左侧电容。此时，左侧电容放电，右侧电容充电。右侧电容的上端为负，下端为正;而正端接地，所以，由右侧电容的上端输出负压。

在以TPS61165为平台，通过外扩电路实现负压产生的条件是:利用该芯片搭建开关电源电路要形成闭环回馈电路。因此在恒流控制电路和恒压源输出电路时均能产生负压，因为恒压时电路接法简单点，下面按照恒压源输出电路的接法研究负压产生电路。图1.5为负压生成的电路原理图。1.3电路原理图设计并绘制根据本文第三章对DC/DC变换器理论的研究，我们可以得到将1.2各部分框图加上TPS61165内部电路原理图整合成的Boost升压电路。并将此Boost升压电路电路原理图在AD中绘制，得到如图1.6。反馈控制电路由INA213和OPA330组成，通过采样电阻经过INA213可以得知输出电流大小，再与PWM波经加法器OPA330后控制FB脚的电压大小，达到可调的恒流输出的目的。图1.6Boost升压电路电路原理图其中，电流检测电路的电路原理图为图1.7。图1.7电流检测电路电路原理图其中，电压检测电路的电路原理图为图1.8。图1.8电压检测电路电路原理图4AltiumDesigner版图设计根据前面内容设计要求、确定的Boost升压电路电路原理图，在这一章我们将使用电子产品开发系统AltiumDesigner进行PCB版图的绘制。开发系统AltiumDesigner可以完美的完成电路原理图的绘制、\t"/item/ALTIUM%20DESIGNER/_blank"印刷电路板文件的制作、执行电路仿真等设计工作，并且在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能。在设计之前我们要考虑实现：1.通过跳线选择恒压输出和恒流输出，帮助理解恒压和恒流输出在电路上的异同，和理解反馈电路中的放大器。2.通过高侧电流检测，把放大器和电源结合在一起。

1.通过控制CTRL端口，实现输出电压/电流控制。

4.实现无反馈负压输出的原理无误和应用。4.1版图绘制简介图4.1绘制PCB版图流程图绘制PCB版图流程如图4.1所示，此PCB板所需电路原理图在前一章已经给出，所以按照已得，本设计可以跳过第二步画原理图，直接进入第三步画PCB图。本设计具体绘制流程如下：①创建工程，新建“PrjPCB”文件。②新建“PcbDoc”文件。然后切换到原理图，在“设计”菜单下更新原理图到刚刚新建的“PcbDoc”文件。更新时，把room选项勾选去掉。在“窗口”下点击“垂直分割”，将原理图和PCB图分别放到AD界面两侧。然后点击原理图窗口，在“工具”菜单下打开“交叉选择模式”，进行两侧器件双选。③手动布局PCB元器件时，遵循就近原则，布局好元器件后开始手动布线。④布线完成后就根据实际的布局更改PCB板大小。更改PCB板大小的方法：“视图”——>“板子规划模式”。⑤更改好PCB板的实际大小后，切换到keep-outlayer层绘制PCB板的外边框。绘制外边框不能使用导线，要选择菜单“放置”——>“禁止布线”——>“线径”，然后画PCB板的外边框。⑥切换到Mechanical1机械层，再选择菜单“放置”——>“尺寸”——>“线性尺寸”，点击PCB板边框角上的两个点量出PCB板的尺寸并放置。⑦添加滴泪。菜单“工具”——>“滴泪”——>“添加”——>“确定”。⑧在覆铜前将布线规则中的Clearance（导线和焊盘间的距离）改为20mil，然后再覆铜。点击菜单“放置”——>“铺铜”进行覆铜。⑨点击菜单“报告”——>“板子信息”——>“报告”——勾选“RoutingInformation”——>“报告”，弹出的网页上显示剩余的连接点数量为0，此说明全部连接点都连到一起了。理