基于SM72295的功率优化器采样模块应用研究

徐梦明,朱建良

(南京理工大学 自动化学院，南京 210094)

功率优化器连接于光伏组件的两端，可实现组件级MPPT，使光伏组件的输出功率最大。采样模块是功率优化器的重要组成部分，当前的功率优化器要满足实时监控组件的电压、电流和故障与否等工作状态的需求，这也对其采样模块采集数据的速度和精确度提出了更高的要求。

本文主要介绍了基于SM72295采样模块的硬件设计和软件设计，在不同电压和电流条件下进行实际样机测试，分析实验结果，旨在提高功率优化器的采样精度，简化硬件电路设计，为功率优化器大规模应用于分布式光伏发电系统奠定基础。

1 工作原理

功率优化器连接于光伏组件和逆变器(或负载)之间，主控芯片选用STM32F013C8T6，其主电路DC/DC电路采用桥式Buck-Boost拓扑结构，核心算法为MPPT，系统框图如图1所示。

图1 功率优化器系统框图

采样电路将光伏组件输出的工作电压和工作电流，转换为可被控制芯片读取的信号形式，传输给控制芯片[1]。驱动电路的核心是SM72295芯片，该芯片将开关管的控制信号(PWM)传递给DC/DC电路，通过调节PWM的占空比，控制光伏电池工作电压，最终实现负载匹配，使光伏组件输出功率最大[2]。

通过比较输入和输出电压，来选择Buck-Boost电路工作在升压、降压或直通模式；同时MPPT算法的实现基于输入电压和功率。因此Buck-Boost结构的功率优化器的采样电路共4路包括：输入、输出电压采样电路和输入、输出电流采样电路。

2 硬件设计

2.1 SM72295芯片

功率优化器的驱动芯片选用德州仪器(Texas Instruments)公司的SM72295，该芯片能够驱动全桥连接的4个MOSFET管，提供3A的峰值电流，其主要功能如下：

1)集成了高速的100 V自举二极管，自举二极管独立的高电平和低电平驱动逻辑输入电源电压范围高达115 V。

2)在故障状态下的关机功能，具有过电压保护和低电压锁定功能。

3)具有外部可编程增益放大器(PGA)和缓冲输出的功率放大器，可用于检测充放电电流，并能去掉波纹电流为控制电路提供平均电流信息，不需要添加额外的放大器，这是SM72295区别于其他产品的主要特征。

SM72295引脚图如图2所示，由辅助电源电路提供3.3 V和10 V两种等级的电压，SIA，SOA，BIN和IIN是输入电流检测模块的引脚，SIB，SOB，IOUT和BOUT是输出电流检测模块的引脚。

图2 SM72295引脚图

设计基于SM72295的采样电路，充分利用驱动芯片SM72295的电流检测功能，简化了电流采样电路的硬件电路结构。

2.2 电流采样电路

常用的电流检测方法有磁传感器(霍尔元件等)检测、串联电阻检测等。功率优化器连接于单个的光伏电池两端，市面上的光伏电池工作电流多数在50 A以下，电流较小的条件下，优先选用串联电阻检测法。

串联电阻检测法在电流路径中串联电阻，形成差分电压，从而把电流信号转换为电压信号，该电阻称为分流电阻器[3]。此方法解决了控制芯片ADC不能直接采样电流的问题，具有采样精度高、温度稳定性好的优点。

分流电阻器两端的差分电压的幅值较小，难以直接精确检测，采用模拟前端(AFE)将差分信号转化为单端信号，单端信号放大后接入ADC，通常选用运算放大器或者专用电流检测放大器来实现。造成采样电路的误差的影响因素：分流电阻器实际阻值与标注阻值的偏差、运放的失调电压和ADC的失调等[4]。

SM72295具有电流检测功能，电流检测模块内部结构如图3所示。SIA和SOA接入PGA，根据分流电阻器两端电压的正常工作范围合理选择增益放大倍数，提高采样精度。IIN引脚的电压经过电压跟随器后由BIN引脚接入到控制芯片的ADC，具有高输入阻抗和低输出阻抗的性质，对IIN和BIN引脚所连的线路部分起到了缓冲和隔离的作用，提高了采样的精度。

图3 SM72295电流检测模块原理图

输入与输出电流采样电路的结构类似，输入电流采样电路如图4所示。分流电阻器的两端经过大电阻接入SM72295的电流检测端口SIA和SOA，经内部的放大器转换为单端信号，BIN为电流采样引脚。

图4 输入电流采样电路

根据芯片资料，SIA和SOA串联电阻为R，BIN连接电阻为R0，BIN端的采样电压为V0，分流电阻器两端的差分电压为Vsense，差分电压与采样电压关系如下所示：

分流电阻器为Ri，电流I的计算公式如下：

根据公式(1)和公式(2)可知，实际电流与引脚BIN处采样电压的关系如下：

2.3 电压采样电路

功率优化器的输入与输出电压工作范围在实际生产应用中大于3.3 V，不能直接接入控制芯片，需要经过电阻分压处理，才能被控制芯片所识别。电压采样电路如图5所示。

图5 电压采样电路

控制芯片ADC采样的电压信号是实际电压经过串联的电阻按照一定比例分压，再由运算放大器放大后的电压。功率优化器的辅助电源模块为运算放大器提供3.3 V的电源电压。ADC采样处电压VSVD与实际电压VIN的比值为分压系数KU，计算公式如下：

2.4 电阻选择原则

控制芯片的ADC各引脚的输入电压范围为0～3.3 V，电压过大会降低控制芯片采样的准确度，严重时甚至损坏控制芯片。选择采集电路中的分压电阻和分流电阻器时，应当结合功率优化器的工作电压和电流区间，不超过ADC模块的输入电压范围[5]。

在电压采样电路中，功率优化器输入电压工作范围10～50 V，输出电压工作范围为0～50 V。该电路中电压是给定的，分压电阻应选用阻值较大的电阻，防止电阻消耗功率过大，通常为千欧级。只需在最大工作电压50 V时，满足ADC引脚电压小于3.3 V，电阻选择应使分压系数满足下式：

在电流采样电路中，分流电阻器本身会产生功率损耗，降低功率优化器的效率，电流较大时，电阻甚至可能会发烫，不利于电路的长期运行。因此分流电阻器不宜过大，选用低阻值精密电阻，通常为毫欧级。在实际生产应用中，放大器的偏移电压固定不变，差分电压大时，测量误差会比较小；分流电阻器越小，两端电压越小，放大器的固定偏移误差在待检测电阻器两端电压中的占比越大，电流采样误差越大[6]。

电流检测放大器具有固定增益，需根据输入电流和ADC满量程输入范围更好地优化与分流电阻器的配对[7]。功率优化器电流范围0～10 A，各电阻的选择满足下式：

3 软件设计

软件实验平台是Keil4，选用STM32F103的官方库简化软件设计。直接存储器存取(DMA)提供了外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。数据通过DMA快速地传输，不需要中央处理器(CPU)参与此过程，为其它程序节约了CPU资源。为了提高处理器的使用效率，在配置ADC模块时直接将采样的结果通过DMA模块进行数据传输[8]。

样机测试中ADC采样的电压和电流数据不是恒定值，受到脉冲信号等的干扰在一定范围内波动，波动较大时影响MPPT算法对前后两个采样时刻功率大小的判断。因此需要对采样数据进行滤波，提高采样的精确度和稳定度，减小MPPT算法的误差。

数字滤波算法有均值滤波、限幅滤波、中位值平均滤波和中位值滤波等。本文采用中位值平均滤波，可以较好地抑制周期性的噪声，平滑度高，但是算法本身耗时较长、计算速度较慢[9]。采样和滤波算法流程图如图6所示。

图6 采样和滤波算法流程图

首先通过ADC完成采样，并用DMA缓存n个采样数据，将结果放在缓存数组中，对n个采样数据按照从大到小的顺序进行冒泡法排序，对排序后的数据去除m个最大值和m个最小值，求出剩余的n-2m个数据的平均值作为本次的采样结果，完成一次数据采样和滤波。

4 实验

样机测试实验平台包括UNI-T公司直流电压源(30 V-6 A)、滑动圆盘电阻(5 Ω-500 W)和电压表等。功率优化器输入端接直流电压源，输出端接滑动圆盘电阻，串口模块通过USB转TTL电平转换电路将采样数据打印到上位机(PC端)。

电压和电流采样的基本原理类似，都是将实际待检测数据按照一定比例关系转化为0～3.3 V可被单片机采集的电压数据。

以电压采样电路为例，根据公式(4)和图5可知，保留一定裕度，分压系数为：

(7)

设置电源电压为20 V，根据公式(7)可知单片机ADC端口电压为1.1 V，分压前后电压波形图如图7所示。

其中CH1为输入电压波形，CH2为主控芯片ADC端口电压波形。由图7知输入电压20 V，ADC端口电压1.1 V，与理论计算结果一致，且ADC端口电压的纹波较小，近似一条直线，便于单片机采集，降低软件滤波难度，提高采样精确度。

图7 分压前后电压波形图

调节电源电压分别为15，20和25 V，记录采样电压数据及其与实际电压的误差，电压采样数据如表1所示。

表1 电压采样数据

由表1可知，电压分别为15，20和25 V时，电压的采样值均与实际值基本相同，采样误差低于0.2%，误差较小，说明所设计的电压采样电路精度高，能在较大的电压变化范围内实现电压采样，满足功率优化器的工作电压随着光照和温度在较大范围内波动的要求。

分流电阻器分别选用并联10 mΩ和单个50 mΩ精密电阻，限制输入电流从2.5 A增加到4 A，步长0.5 A，采样数据分别如表2和表3所示。

表2 并联10 mΩ电流采样数据

表3 单个50 mΩ电流采样数据

由表2可知，分流电阻器为并联10 mΩ精密电阻时，采样电流在2.5～4 A区间内波动，其两端电压变化范围为12.5～20 mV，电流采样值与实际值误差约为-6.5%，误差较大。

由表3可知，分流电阻器为单个50 mΩ精密电阻时，采样电流在2.5～4 A范围内波动时，其两端电压在125～200 mV范围波动，电流采样值与实际值误差约为1%，误差较小。

在所需采样的电流较小的情况下，分流电阻器取值较小，电压的幅值也较小，容易受到其他电路或者噪声等的干扰。因此，应根据功率优化器所连接的光伏电池工作电流的范围来选择合适的采样电阻的阻值，本文选用50 mΩ-0.1%的精密电阻。

5 结论

本文设计了基于SM72295的功率优化器采样模块，主要包含了电压采样电路和电流采样电路两部分，能够较好地实现对光伏组件的电压和电流检测，通过中位值平均滤波对ADC采样数据进行实时处理，减小采样误差。通过多次在直流电压源下的采样测试实验，验证了该采样模块具有较高的精确度和良好的抗干扰能力，满足实际生产应用的需求。