基于TI_WEBENCH? Designer_微逆變器供電方案的設計

文章概要：

一、微逆變器介紹
二、WEBENCH® Designer 簡介與快速入門
三、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設計
四、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設計總結

一、微逆變器介紹

隨著能源短缺，光伏發(fā)電越來越成為一種具有非常潛力的新型替代能源。相對石油，太陽能光伏發(fā)電近乎0碳排放。顯然這能大大緩解全球碳排放造成全球氣候變暖的問題。而光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分類有兩種：第一種集中式逆變器組成發(fā)電系統(tǒng)，第二種也就是本文講到的微逆變器發(fā)電系統(tǒng)。

前者通常是高電壓多組件串聯(lián)供電應用于大型的發(fā)電系統(tǒng)。后者單組件的微逆變器并聯(lián)工作。相比集中式逆變器發(fā)電系統(tǒng)而言，單個組件的微逆變器效率更高，系統(tǒng)可靠性更加高并維護方便，由于是并聯(lián)工作消除了集中式由于陰影遮擋、光伏板組件差異、系統(tǒng)整體效率低下等等各種不利因素。所以微逆變器有更高的效率，通常能達到是95%以上。

而本文主要闡述如何用TI的WEBENCH® Designer軟件對微逆變器的供電系統(tǒng)的設計。

圖1微逆變器的外觀圖

1. 微逆變器設計框圖（控制結構）

本微逆變器設計采用了交錯反激的并網(wǎng)逆變器結構及其軟開關控制策略。并針對反激變壓器漏感問題，提出漏感能量吸收回饋電路，實現(xiàn)了反激變換器漏感能量吸收再利用，并實現(xiàn)了開關管漏源電壓的鉗位，提高了變換效率同時降低了MOS開關管關斷電壓尖峰。微型逆變器主要工作原理是將光伏電池板的直流電流直接轉換為成交流電流。本工程設計微變器額定功率為250瓦，輸入電壓范圍在19 VDC至50 VDC內，最大開路電壓為55V。

圖2微逆變器設計框圖

2. 微逆變器設計的功能：

峰值效率：95％
最大功率點跟蹤：99.5％
最大輸出功率：216W
電網(wǎng)電壓范圍（230 VAC）：210 VAC-264 VAC
輸入電壓范圍：19VDC-50VDC
電氣隔離
支持無線通信

3. 微逆變器供電系統(tǒng)結構圖

圖3微逆變器供電系統(tǒng)結構圖

4. 微逆變器主要芯片供電分析

從微逆變器供電結構圖發(fā)現(xiàn)主要有以下10塊

P V 電壓檢測AMC1200dub +3.3v，+5v。（芯片供電，以下類推）
反激電流檢測opa2171*2路+5v。
反激電壓檢測opa2171+5v.
電網(wǎng)電壓檢測opa2171+3.3v
電網(wǎng)過零檢測LMV7235+3.3v
電網(wǎng)電流檢測opa2171+3.3v電流傳感器(ACS712ELCTR-05B 供電+5V)
全橋溫度檢測LM61+3.3v
反激變換驅動iso7240 SM72295+3.3v,+5v,+12v
全橋驅動ucc2734+3.3v
微控制器DSP28035+3.3vADC 基準2.5v

綜合分析主要供電有以下幾路，2.5v，3.3v，5v，12v。

為減少干擾，供電驅動與系統(tǒng)控制采用獨立的供電。供電系統(tǒng)結構如圖4

圖4微逆供電結構圖

那么接下來對各路供電電流進行一個統(tǒng)計計算：

+2.5v 首先是+2.5v電流查DSP數(shù)據(jù)手冊ADC基準供電電流2ma，可能有多路基準額定給了20ma
+3.3vDSP28035 供電3.3v電流查數(shù)據(jù)手冊得到最大一般是135ma

而其它各路放大器以及3,3V供電回路大概是20ma足夠再加上基準20ma.

所以3.3V供電電路=135+20+20=177ma，放一定余量后，3.3v額定電流設為350ma。

+5v從供電結構圖可以看到5V供電電路需要加上3.3v 350ma，額定電流設定為500ma足夠。
+12v系統(tǒng)控制12v，其負載為+5V.所以為:500ma<額度電流<1都可以，設定為1A
+12v反激驅動+全橋驅動額定電流也設置為1A。

有了這些數(shù)據(jù)那么接下來可以用WEBENCH® Designer設計這個微逆變器供電電路了。在設計之前，先簡單介紹下WEBENCH® Designer的使用。

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二、 WEBENCH® Designer 簡介與快速入門

簡介：WEBENCH® Designer 是TI公司一款網(wǎng)頁版本的小功率電源設計軟件，它能生成單個電源芯片的原理圖，PCB，以及元器件表格，和仿真文件，可供設計者下載本地。同時它還可以設計濾波器、LED驅動電源、FPGA和微處理器電源，ADC的基準電源、時鐘、傳感器、接口等共8個分類。每個總類還有細分功能，非常豐富，另外WEBENCH® Designer 還可以編輯繪制原理圖，不過WEBENCH® Designer主要功能還是小功率電源設計，本節(jié)主要是通過一個單負載輸出的方案，帶你快速入門WEBENCH® Designer。

打開TI網(wǎng)頁，登錄后就可以直接設計，如果你未注冊，用郵箱注冊一下也很方便，同時網(wǎng)站的服務器能保存你的設計，隨時可以下載到本地。

入門設計步驟共6步：

下面以一個系統(tǒng)默認的單電源設計為例，輸入電壓14v～22V，輸出3.3v，輸出電流2A，環(huán)境溫度30度。

進入設計界面后選擇，最高性能，優(yōu)化器旋鈕選擇效率最高，然后進入設計步驟如下。

圖5WEBENCH® Designer 設計步驟

具體請參考附件的（WEBENCH® Designer 簡介與快速入門）。

三、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設計

第一步：打開TI主要找到這個軟件，前面介紹了單負載設計，我們這個項目選擇多負載設計。

第二步：添加第一路12V供電，輸入為19～50V，輸出電流1A---------》交錯反激驅動+全橋MOS驅動。

第三步：設置第2個系統(tǒng)12V電源，輸入19～50v，輸出電流1A

第四步：給第2個電源加三個負載分別是：5v 500ma,3.3v350ma,2.5v20ma。

第五步：提交項目后，把優(yōu)化器旋鈕轉到效率最高，點擊檢查項目細節(jié)。

第六步取個名字點擊生成工程

第七步生成后的工程畫面

第八生成后的工程下拉畫面。

第九原理圖下載

注意：雖然是多負載，但是你下載原理圖還只能以單芯片的原理圖，而本設計綜合了4路供電的原理圖，所以你都要下載的話只能分別下載。

第十分享工程設計

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四、WEBENCH® Designer微逆變器供電系統(tǒng)設計總結

WEBENCH® Designer是根據(jù)你的輸入輸出電壓、輸出電流、電源的效率、以及器件成本、PCB的尺寸等等選項，并生成符合你設計要求的供電芯片電路，同時也推出備用供電芯片方案，供你手動選擇。這其實就是黑箱子操作原理。你輸入什么要求，就能輸出符合你要求的（原理圖、仿真圖、熱仿真、以及器件清單，等等）整個工程設計文件。但是無需管箱子內部，最重要是只要輸出滿足你的設計條件，整個設計就算OK了。往簡單了說，WEBENCH® Designer其實一個器件選型軟件。

而本設計主要輸入了各路供電的輸入輸出電壓，輸出電流，并用了軟件的優(yōu)化器旋鈕。在微逆變器中我們追求的是較高的效率，對供電器件成本不是敏感，并要求高質量與高效率，所以這里在輸入條件時候，我們選擇把優(yōu)化器旋鈕旋到最右邊到底，為效率最高。而軟件自動選型了以下三款芯片。如圖7.1軟件生成的電源供電電路的結構圖。

圖7.1微逆變器的電源結構圖

下面對三款芯片原理圖進行簡單的介紹。

第一款lm46002 ，12v1A (5v0.73a)

注意，在設計時候，第2路的輸出設定是12V，而這里軟件改成了5V，錯了沒有？沒有。因為第2路12V的主要負載是5V,3V,2.5V，所以軟件根據(jù)設計意圖進行了自動優(yōu)化，其原理也是很簡單的，雖是同一個芯片，但只要根據(jù)電阻的阻值比選擇，LM46002能輸出不同的輸出電壓。圖7.1原理圖有WEBENCH® Designer軟件生成（其它兩款芯片原理圖一樣是有軟件生成）。

圖7.2lm46002 ，12v1A (5v0.73a)原理圖.

lm46002輸出效率圖

如圖7.2圖中 紅綠藍分別代表典型值19v，34.5v，50v負載電流的效率圖,以輸入電壓19v（紅線）為例，在0.5a～0.6a的負載電流，效率為97.8%～97.7%，實際從圖7.3中可以看出負載電流在0.5a～0.6a之間為最高，三路典型電壓值在此處效率均為最高。

圖7.3 lm46002輸出電流效率圖

第二款 TPS563208 ,3.3v 0.37a.

從TI官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊可知:TPS563208輸入電壓范圍：4.5V 至17V，輸出電壓范圍：0.76V 至7V，輸出電流最大3A.。跟lm46002一樣，TPS563208同為同步降壓穩(wěn)壓器，只是輸入輸出電壓與電流區(qū)別。WEBENCH® Designer軟件在3.3v,0.37a負載支路自動選型了這款芯片。表2為官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊推薦的元器件參數(shù)。

TPS563208 輸出電壓計算公式：VOUT=0.768*(1+Rfbt/Rfbb)。

表2 官網(wǎng)推薦的元器件值

表2與原來圖7.4器件序號對應關系：R1=Rfbt, R2=Rfbb, ci=c8+c9。

有WEBENCH® Designer生成的數(shù)據(jù)，Rfbt=33.2k,Rfbb=10k,L1=3.3uh,cin=22uf輸出電壓為3.3v，

如原理圖7.4。完全符合官網(wǎng)器件數(shù)據(jù)手冊的設計參數(shù)值。

看來這也算是一種革命，本來的設計是需要查詢數(shù)據(jù)手冊，然后根據(jù)官網(wǎng)提供數(shù)據(jù)規(guī)格與實際的輸入環(huán)境來設計電路，而用WEBENCH® Designer后只要輸入電壓，輸出電壓，輸出電流，以及要求效率后，直接生成原圖，這的確簡便多了。尤其是在設計多個電源的時候，用WEBENCH® Designe比常規(guī)的電源設計效率更高。圖7.4TPS563208 3.3v 0.37a.供電原理圖同樣有軟件生成。

圖7.4TPS563208 ,3.3v 0.37a原理圖

TPS563208輸出效率圖

如圖7.5，紅綠藍分別代表4.5v,5v,5.5v輸入電壓的負載電流的效率圖。從圖中輸入電壓（紅線）4.5v為例，0.2a~0.25a區(qū)域效率約為96.6%～96.7%最高。此圖基本上反饋了器件的整體轉換效率。注意這里實際輸入電壓5V，額度電流為0.37a左右，而實際電流值200ma~250ma左右，器件正好工作在最高效率的負載電流區(qū)域。

圖7.5TPS563208輸出電流與效率的關系圖

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第三款 ATL432，2.5v 0.02a

這是一款低靜態(tài)電流可調節(jié)精密分流穩(wěn)壓器，從官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊可知，atl432能輸出穩(wěn)2.5~36V穩(wěn)壓值，并連續(xù)可調;參考電壓原誤差為+-1.0%，低動態(tài)輸出電阻,典型值為0.22歐姆輸出電流1.0~100毫安;全溫度范圍內溫度特性平坦，典型值為50ppm;低輸出電壓噪聲。

WEBENCH® Designer軟件在2.5v，0.02負載支路中，選型了這款芯片。

從官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊可知，atl432與大家很熟悉的TL431是完全一樣功能，只是引腳與編號不同。所以這里不在描述，具體atl432效率輸出圖可以參考本設計的工程文檔webench_250微逆變器電源工程文檔.pdf.當然你也可以查閱TI官網(wǎng)數(shù)據(jù)手冊，同樣在本設計中 ATL432的原理圖有軟件自動生成，如同7.6。

圖7.6 ATL432，2.5v 0.02a原理圖

項目總結：經(jīng)過原理圖分析，電路仿真以及與三個芯片lm46002、TPS563208、ATL432數(shù)據(jù)手冊對比。由WEBENCH® Designer 軟件生成的三款芯片的原理圖完全符合了設計的要求。

從軟件生成的工程文件得出數(shù)據(jù)：

1.微逆變器供電系統(tǒng)總效率為94.384％

2.系統(tǒng)總BOM數(shù)34.0

3.總系統(tǒng)BOM成本約為$9.96

4.系統(tǒng)總功耗728.8毫瓦

到此整個微逆變器供電系統(tǒng)設計全部完成，并達到了預期設計效果。

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