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`` 本帖最后由 merryearnest 于 2013-9-21 14:27 编辑 我的梦想——家用太阳能发电系统（连续更新中） 第一次在Elecfans上发原创帖，支持人不多，当自己就要放弃续写时，竟然被坛主置顶了。回过头来审视自己的贴子，确实写的凌乱，能与大家分享的资料太少，帖子质量低，实有愧。现好好整理，一楼是设计历程的概述，后面盖的楼是自己的总结和资料的分享，大家注意翻阅，希望对大家有帮助。 4楼：第一篇、能量的来源——太阳能电池板 6楼：第二篇、高效、智能充电模块 18楼：第三篇、主控——基于Atmega16A的单片机71楼：第四篇、主电路——待完善部件 105楼：第五篇、基于MP2307的USB供电模块 188楼：第六篇、基于UC3843的Boost升压模块 217楼：第七篇、手工版自制mppt控制器 230楼：第八篇、半成品太阳能mppt充电器 自制太阳能发电系统的设计历程： 2012年6月，在学生毕业大甩卖时，我收了一块10W的太阳能电池板，它就是我自制家用太阳能系统的奠基石。（当时玩了几天就搁置了） 图1、自制家用太阳能系统的奠基石（10W太阳能电池板） 2012年9月，一次停电时，手机需充电，我突然想到了10W的太阳能电池板。于是第二天开始拼接太阳能电池板的外围，给USB设备充电，可不再怕停电，而且是真正的低碳、绿色能源。这样一套最简单的系统开启了我的自制家用太阳能发电系统的梦想，如图二所示。（注：所有的模块都不是自己设计，仅仅是简单拼接。） 
图2、拼接的太阳能给USB充电电路 2012年10月~11月，首先做了个简单整体规划，第一步要解决的就是选择主控。以前做过简单的DSP2812开发，感觉用在这里实在是大材小用，且成本高不利于普及，接着马上想到了51单片机。可我对51只是了解，但不熟悉。于是开始学习，选择了郭天祥老师《10天学会51单片机》，非常感谢这部视频教程，让我学会了51单片机。（吐下槽：我这样的基础，每天14小时废寝忘食学习，整整花了2周时间，所以我想一般人想要10天……，呵呵）后续规划中，发现了使用51的问题，51单片机虽然便宜，但是没有AD采样，如果加上ADC0804也只能采样1路，还是8bit，采样几路系统就复杂了，成本就起来了。逛了逛坛子，又选择了Atmega16A，内置8路10bitAD采样，价格也不算太高。稍微学习了基础，就上手了AVR这款单片机（有了51的底子，再上手AVR几乎无阻力，所以这次也没去系统学习，而是用什么学什么。） 2012年12月~2013年1月，解决了主控问题后开始搭建太阳能发电监控系统各个原始模块。在近2个多月的时间里，学习了如何腐蚀电路板，巩固了Altium Designer，温习了模电特别是运放，在年前终于搭建出了原始系统，如图三所示。
图3、太阳能发电系统原始模块 由于每个功能基本都单独搞成了个测试模块，所以联接时到处飞线，只能叫原始模块了，呵呵。简单介绍下：左上是基于LM324的AD信号调理电路板，左下是基于Atmega16A的主控板（供电是由7805转换过来的），中间的是几个继电器构成的主电路板（正中间绿板子是淘宝上买的限压限流充电模块），右边是由水泥电阻配个降压模块构成的可调负载。 2013年2月~3月，经过一段时间的测试，发现了些问题，最突出的问题就是采样精度达不到95%，特别是电流采样平均90%都困难，带着问题不断思索后确定了改进的方向：1、主控由Atemga16A（DIP封装），改进为Atmega16A（TQFP封装），原因是TQFP封装可以启用2路可编程的差分采样（10倍和200倍放大），同时参照Atemga16A的技术说明书修订了主控板的AD采样电路，按要求加入了电感和电容滤波，并对采样信号也增加了滤波；2、逐步精简和整合原始模块，减少飞线，增加联接口。元器件逐步向贴片元件转型，缩小电路板尺寸；3、自设计高效充电模块。 为了这个梦想，我放弃了许多娱乐时间，终于在3月初完成了对太阳能发电系统各原始模块的第一次整合工作，见图四，并给手机和笔记本电脑供电，见图五。
图4、第一次整合后的太阳能发电系统
图5、接上负载后的系统 经过一段时间的测试该系统特点如下： 1、电压测量精度98%以上，电流测量精度96%以上； 2、系统最高工作电压23V（MP2307限制），系统最大工作电流4.5A（50mRΩ/1W限制）； 3、可累积工作时间和发出电能，不惧掉电（Atmega16内置EEPROM）； 4、自设计充电模块具备高效、可控、带电网支撑功能，软硬件双保护功能。 近段时间工作有点忙，一是整理以前的设计过程，二是加深对DC/DC变压模块使用，三是测试系统，特别是稳定性和可靠性（为以后能成为可靠产品做好铺垫，疏忽不得）。完成了第五篇《基于MP2307的USB供电模块》，这个模块的目标就是小、模块式，插接方式，预留监控端口。
图6 负载（基于MP2307的USB供电模块） 2013年3月~4月初，经过整理后系统开始逐步变为模块化了，加入防过流的保险丝，制作了第一个升压电路（基于UC3843的Boost升压电路，过几天总结完毕马上续帖）。现在看来低压直流系统的主要工作大头应该完成（升压、降压、限压、限流等功能都调试出来了），剩下的就是整理和完善设计了。第二版系统开始放图：
图7 散开放置的模块图
图8 组装后带蓄电池、手机、笔记本全家图 第六篇、基于UC3843的Boost升压模块整理完毕，在188楼。这次写得比较细，希望大家能读懂，想动手的可以做得出东西。此刻电压直流部分主要功能都已经实现了（降压、升压、限压、限流），太阳能发电系统的直流部分就是完善AVR的管理和结构了。 2013年5月1日前，终于完成了高度整合后的第三版（把Boost升压电路也做成模块化）。并在汽车上小试一把了，单片机的控制部分加入了控制开关和蜂鸣器报警等电路。直接上图吧！
组合拼图 第七、八篇是使用Atmega16A自制太阳能充电器的过程，并朝着成品化方向发展。已经做出了一片半成品，并成功售罄，也是对自己学习的最好肯定。期间有不少发烧友给了很好的建议和意见，特别是厦门林工和河北曹工的帮组，加速了从发烧自制向成品化的转变。下面几个图是几次重要版本的。技术资料请看230楼附件。Atmega16A的功能和资源几乎使用到了70%以上，呵呵。
第一版 18V太阳能板充12V电池
第三版 18或36V太阳能板充12或24V电池
第五版 第一次带测试性质的对外销售版本
全部售出版本全家福 技术交流： 当每个模块设计得相对完善后，我就会盖楼归纳，绝不令色，分享所有资料，包含自己的设计底稿。（我理解的技术是一种分享，只有分享了才能快乐，才能体现活着的价值，越保守只能越落后。因此我不会设置必须回复才能看帖）当然我遇到问题时我也会挂在帖上，请大家多帮忙，提供好的建议和意见。交流方式建议大家多跟帖支持，再就是邮箱merryearnest@126.com。 2013年4月30日修订 ``
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本帖最后由 merryearnest 于 2013-4-9 14:49 编辑
第六篇 基于UC3843的Boost升压模块 在第二篇中将太阳能电池板提供的能量（15~18V直流电）通过KIS-3R33模块降压至12~13V给蓄电池充电；在第五篇中将12~18V直流电通过MP2307降压芯片至5.0~5.2V给手机、平板等USB负载供电。前阶段设计一直都是把电压不断降低使用，现在要反过来把11~18V的直流电（蓄电池或太阳能电池板）升高至20V以上使用，典型负载就是笔记本电脑了，我的ThinkPad-X60S就是20V标准。（其实这个模块还可以放在汽车上给笔记本供电） 一、购买成品模块，先研究再模仿 图1 2块成品升压模块 在淘宝上买了2块升压模块，见图1，左边一个花费20元，右边一个花费15元。我想既然两个卖家都是用这种方式，那么必定是有可取之处的，我就先学懂，学透这个类型的模块，入了门自然慢慢的眼界就开阔了。第一步就是得到两个模块的电路图了（淘宝卖家一般不会提供的，我也懒得费口舌，用眼睛看，万用表一根根的测量，感觉有点像所谓的“抄板”工作）。 1、主电路一致，都是典型BOOST升压电路，使用MOSFET作为开关器件。 2、控制芯片竟然也一致UC3843，电流型PWM控制芯片，只不过是芯片外围电路和参数略有不同。 二、学习UC3843芯片 网上对UC3843系列芯片使用讲述得并不透彻，要想吃透惟有官方文件了，但UC3843的PDF版本也很多，我找到的最好版本是UC3843(Rev. 15)，另外一个UC3843A作为补充（已打包在附件），吃透后先搭建最简单的实用电路（省去繁杂功能也便于大家理解）。模块功能就不详细解释了，去啃下PDF吧，我就把几个设计要点和计算方法给大家讲述清楚。 图2 UC3843系统图 1、设置PWM最大占空比和频率 网上有经验公式，但是没有写限定条件，转头看看官方文件其实没有必要使用经验公式，现在电脑和计算器都有ln函数，还是自己动手算吧，朋友们不要怕麻烦。 PWM脉冲由RT和CT谐振产生，设计RT和CT参数时，先设计最大占空比确定RT，再通过频率确定CT的数值。 PDF中讲述了，PWM波形的最大占空比仅由RT函数确定，为了保护电路可以通过限制最大占空比来实现，（比如BUCK电路中设置最大占空比为50%，那么输出电压最大值就不可能超过输入电压的50%）公式如下所示： 公式中已知量VRT/CT(valley)= 1.2V，VRT/CT(peak)= 2.8V，Vref= 5V，Idischg= 8.3mA，RT为谐振电阻。以我设计的Boost电路为例，为防止输出电压过高，我要求Dmax<70%，于是电阻就选择了比较常见的RT=1KΩ，Dmax=64.2%。 表1 RT与Dmax关系表
选择电阻后再根据PDF文件中提供的频率图选择电阻，比如我希望PWM适当高些大于50KHz，可以减小电感量，那么找到0.8上的第二根水平线与50K竖直线的交叉处，估算到CT应该大于10nF，估计在15nF以上，看看自己的贴片电容情况，挑选比较接近的22nF的电容，CT=22nF。 图3 频率设置曲线图 估算完毕后，可以依据公式核算（PDF上有说明的计算一般都有10%的误差，原因是电阻和电容的标称值都有1%~5%的误差以及温度影响）。 计算值53.4KHz，实际值53.7KHz，比较准确了。 2、电压反馈环节设计 就采用最基本的方案，2脚电压反馈输入，1脚电压反馈补偿输入，如图4所示。 图4 电压反馈环节设计 2脚的参考电压是2.5V，Rf要求大于8.8K，我的频率不是特别高，反馈也不是要求响应特别快，因此选用大家用得多的参数Rf=100K，Cf=100pF。 调节Ri和Rd的数值，就可以调节输出电压了，计算公式是： 3、电流反馈环节设计 图5 电流反馈环节设计 3脚是电流反馈输入，参考电压值是1V（超过1V时响应，减小PWM占空比）限流靠设计RS的值，我设计时由于没有合适电阻（要同时考虑阻值和功率），只能将就选择0.05Ω/2W的电阻串上一个保险丝来代替（我估计在平均电流小时应该有0.07欧左右，平均电流大时应该有0.15欧电阻，这样可以限制电流6.5A以内）。R的值比较随意，一般就是常见的1K和10K都行，但是C的值就不能太大了，不然电流反馈的延时就太大了，很容易造成过流时间太长PWM芯片才有响应的问题，而选择太小了就容易受到尖峰的干扰，我选择电阻1K，电容200pF，在54KHz的频率下对电流限制还不错。 三、设计主电路参数 图6 Boost电路结构 基本结构如图6所示，就不再描述工作原理了。（随便一本电力电子书都会有的）。主电路参数设置如下： 1、Vin工作电压 12~18V 2、Vout工作电压 20.5V 3、电感 100mH，6A工作电路（我手头功率电感最小的就是100mH了，开关频率高时，电感量要不了这么大） 在设计参数时，最重要的是开关频率和电感平均电流，给大家一个用Matlab-simulink搭建的简易开环Boost模型，可以自己设置参数波形是否合理。注意我的模型是开环的，启动时冲击电流很大，可以不管，因为UC3843中电流反馈可以实现软起动，只要注意看稳态时电感上的平均电流就可以了，电感电流选择上最好留50%的余量。（已打包在附件） 四、电路原理图 图7 基于UC3843的Boost升压电路原理图 解释： 1、R7、R10、R9构成输出电压反馈环节，调节R10就能改变输出电压了。这里电阻R9设置为7K是为了防止电压升得太高，如果你需要的电压较高就的适当减少R9。 2、电阻R4，保护Mosfet，防止源极开路。 3、二极管D2一定要用低导通压降的肖特基二极管，最好能装散热片的。 4、输入输出两端的支撑电容当然越大越好，不过我这个参数下1000uF时，输出已经非常好了，特别提醒大家电容是有耐压值的，如果你要输出30V，却用25V耐用电容，通电时间稍微长点就会爆电容的，非常可怕啊！ 5、由于大家的元器件尺寸不同，就不提供PCB图了，直接上我第一版实物了（后续肯定会更小巧） 图8 实物正视图 图9 实物侧视图 图10 实物背面图 五、小结 1、UC3843是一款不错的PWM芯片，有两个反馈环，电压环精确稳压，电流反馈可以限流保护，比单独用单片机成本低，可靠性高，同时不占用单片机资源。 2、使用的基本是UC3843最精简的外围结构，适合初学者入手制作。 3、如果后续配上高频变压器，使用的方式就更加丰富了。 4、市面上还有款芯片TL494可以代替UC3843，功能差不多。 希望这篇能写透，使用UC3843其实非常简单的，祝愿大家学会后玩得开心。 |
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