DMPPT与PFM/PWM混合调制电路特征与应用

摘要：文章介绍了分布式太阳能最大功率跟踪系统(DMPPT)的特征及在太阳能路灯系统中的应用，介绍了新型高效率升压/降压DC-DC转换器及带内部开关的高效降压型DC/DC转换器，对PFM/PWM混合调制电路技术特征与应用进行了详细分析。 叙词：分布式太阳能最大功率跟踪系统(DMPPT) 太阳能路灯系统 混合调制电路 DC/DC转换器 Abstract：The paper introduces the features of DMPPT and its application in solar street light system. The author, then, presents novel high-efficiency buck-boost DC-DC converter and high-efficiency buck DC-DC converter with internal switch. It also analyzes in detail the features and application of PFM/PWM hybrid modulated circuit technology. Keyword：DMPPT, Solar-energy street light system, Hybrid modulated circuit, DC-DC converter
    1  引言

    便携式产品电源管理集成电路的研发己拥有脉冲频率调制(PFM)、脉冲宽度调制(PWM)及数字电源管理芯片的设计技术，并己有先进水平的系列升压芯片设计与产品。尤其是绿色能源管理芯片与分布式太阳能最大功率跟踪系统己经问世。本文将对分布式太阳能最大功率跟踪系统与脉冲频率调制(PFM)/脉冲宽度调制(PWM)混合调制电路技术特征与应用作分析说明。为此，将按照以下次序进行分析：流程内容的列表→LED恒流驱动→原理框图→管脚定义→典型应用等。

    2  IV0300分布式太阳能最大功率跟踪系统(DMPPT)

    目前市场上光伏系统一般都安装了太阳能最大功率跟踪系统。但普遍存在一个现象，即太阳能光伏系统中某一阵列受损将直接影响到输出，造成能源浪费，因而就出现分了分布式太阳能最大功率跟踪系统(DMPPT)。在此系统中，每组太阳能电池阵列独立工作，互不影响，从而大大提高了光伏系统整体转换效率。本文以IV0300为例进行说明。IV0300是一款太阳能充电控制芯片，适用于一节到四节太阳能电池给两节到四节镍氢电池或者单节锂电池充电，能承受1.5A的峰值输入电流。

    ⑴工作特征

    当太阳光达到一定照度时，使得IV0300使能端(EN)收到一高电平或太阳能电池板上电压大于1/3充电截止电压时，DMPPT组件将自动启动，开始对蓄电池充电。IV0300设有过充保护和充电结束指示引脚，有效防止蓄电池过充而影响到其使用寿命。

    ①主要特性

    具有过充保护与充电完成结束指示、CVT恒电压算法及太阳能转换效率提高。

    ②典型应用

    可用于光伏照明，如路灯、庭院灯、草坪灯、景观照明等；公用设施应用，如公交站点、路标指示、安全检查区等。

    ⑵ 管脚定义

    ISIN-太阳能输入；CSMP-采样电容；VSD-关断电压调整输入；Vref-参考输出；VOC-过充保护；CHEND-充电结束指示；BOUT-电池输出；LX-与电感连接；BGND-电路地；EN-使能端。

    ⑶ IV0300典型应用

    ① 太阳能路灯系统

    光伏照明现已普遍用在家庭照明，景观照明，城市亮化等方面。典型的应用就是太阳能路灯，它具有亮度高、安装简便、工作稳定可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点。我们设计的太阳能路灯采用了分布式太阳能最大功率控制(DMPPT)技术，其系统架构见图1所示。

 
图1 太阳能路灯系统架构[!--empirenews.page--]

    ② 太阳能路灯系统工作原理

    此系统包括6大部分：光伏组件(太阳能电池板)，分布式太阳能最大功率跟踪系统(DMPPT)，蓄电池(1000AH)，微处理器(MPU)，直流电源转换，LED路灯(30W-50W)。在此系统中太阳能给蓄电池充电通过分布式最大功率跟踪(DMPPT)进行控制，采用并联方式，每组太阳能电池板独立工作，分别对蓄电池充电。蓄电池通过直流电压转换芯片，得到满足路灯工作所需电压和微处理器(NPL)工作电压。微处理器(MPU)控制路灯的开启关闭和电池的选择，采用光控开，定时关。当夜幕降临时，微处理器(MPU)通过检测光强启动LED自动点亮，点亮—定时间后，其内部定时器控制LED自动关闭，有效做到节能降耗。点亮时间一般设定为（6-10）h，该时间受区域限制，一般南方地区设定为（6-8）h，北方地区设定为(8-10)h。本系统设定的为10h。该系统采用的是大容量蓄电池小功耗照明，一次充足电后，可以连续工作7天，且避免了在使用过程中造成蓄电池过放电而损坏其使用寿命。另外，由于使用了IV0300，整个系统在晚上关闭前（即光强较弱时）还能工作，继续充电。
③ 系统优点：平均每年多生产10%-12%的电能；分布式的直流总线降低了传输电力损耗；兼容不同厂商的控制器到同一阵列中；太阳能电池板可以混合使用不同的角度；可靠性高，大大降低了维护成本；方便测试每组太阳能电池板上电压，以便了解和预测整个系统的性能。

    3  新型高效率升压/降压DC-DC转换器

    3.1高效率无缝切换升压/降压DC-DC转换器

    MAX8625A PWM升/降压调节器是针对便携式电池供电设备中的数字逻辑电路、硬盘驱动、电机及其它负载供电而设计，适用于PDA、蜂窝电话、数码相机(DSC)、MP3播放器等产品。MAX8625A在2.5V～5.5V输入范围内可提供固定3.3V或可调(1.25V～4V)输出，电流高达0.8A。MAX8625A采用2A峰值限流。专有的H桥技术在所有工作模式下可提供无缝切换，消除了其它器件中存在的尖峰干扰。4个内部MOSFET(2个开关和2个同步整流器)提供内部补偿，大大减少了外部元件数。SKIP输入用于选择低噪声、固定频率PWM模式或高效跳脉冲模式。如果选择跳脉冲模式，轻载时转换器将自动切换至PFM模式，进一步提高轻载效率。内部振荡器工作在1MHz，允许使用小尺寸外部电感和电容。MAX8625A的限流电路在输出过载时关断器件。此外，软启动功能有助于抑制启动过程的浪涌电流。该器件还具有真正的关断(True Shutdown™)功能，器件禁用时，断开输入端与输出端的连接。MAX8625A采用3mm×3mm、14引脚TDFN封装。图2左为MAX8625A引脚功能与应用示意图，图2右为跳脉冲、FPWM模式下效率与负载电流的关系。其优点是单个电感、引脚可选的强制PWM(FPWM)或跳脉冲模式，仅需四个外部元件。

 
图2 MAX8625A引脚功能与应用示意图（左）；
            跳脉冲、FPWM模式下效率与负载电流的关系（右）

    MAX8625A的主要特征：4个内部MOSFET实现真正的H桥升/降压转换；升、降压之间无扰动切换；切换过程中输出纹波变化最小；效率高达92%；跳脉冲模式下静态电流只有37µA(典型值)；输入范围2.5V～5.5V；固定3.3V输出或输出可调；1µA(最大值)逻辑控制关断；真关断，输出过载保护；内部补偿与内部软启动；1MHz开关频率与热过载保护；小尺寸3mm×3mm、14引脚TDFN封装。

    3.2更高效的1.4MHz SOT23电流模式升压型DC-DC转换器

    1.4MHz SOT23电流模式升压型DC-DC转换器MAX5042是全新的热插拔、隔离式、PWM转换器，集成了热插拔控制器、PWM控制器和功率MOSFET。具有50W电源，元件数减少了65%，PCB面积比1/4砖模块小40%，成本比50W模块低80%，热关断保护内部功率MOSFET和IC，无限期短路保护，2.5W热增强TQFN封装。图3为MAX5042引脚功能与应用示意图。

图3 MAX5042引脚功能与应用示意图[!--empirenews.page--]

    4  带内部开关的高效降压型DC/DC转换器

    ADP2105/ADP2106/ADP2107构成低静态电流、同步、降压型DC/DC转换器产品系列，它们采用4mm×4mm LFCS小型封装。在中高负载电流时，该系列芯片使用电流模式、恒定频率、PWM控制方式以达到优良的稳定性和瞬态响应。为了保证便携式应用中最长的电池寿命，ADP210在轻负载时使用节省功耗的PFM控制模式以减少开关频率节省功耗。图4为带内部开关的高效降压型DC/DC转换器引脚功能与应用示意图。

图4 带内部开关的高效降压型DC/DC转换器引脚功能与应用示意图

    可在个人数字助理(PDA)、无线手机、数字音频、数码相机、1枚锂离子电池和锂聚合电池以及3枚碱镍电池等设备上应用。

    5  采用1MHz、600mA PWM降压转换器驱动DSP核只需廉价电容

    MAXl821是一款全新的1MHz PWM转换器，它采用低ESR的陶瓷型输入和输出电容，具有优异的电源及负载调整特性，适合于驱动最新的DSP核。精密的电源及负载调整特性是通过创新的电流模式控制机制获得的。独特的斜率补偿和宽带误差放大器，以及一个简单的外部补偿电路，使转换器仅需小巧的4.7μF陶瓷电容即可稳定工作。

    MAXl821能够工作在PWM或PFM模式，以便获得最优化的待机和工作效率。为最大限度延长电池寿命，MAXl821集成了低导通电阻的开关和同步整流器，提供93%的效率。图5为MAXl821引脚功能与应用示意图。

 
图5 MAXl821引脚功能与应用示意图

    主要特性：保证输出电流600mA；1MHzPWM开关频率；仅需4.7μF陶瓷电容；出色的电源和负载调整；可同步至2.5G(19.8MHz)或3G(13MHz)系统时钟；1.25V～5.5V可调节输出电压；无需肖特基二极管。

    6 PFM/PWM混合调制电路的技术特征与应用

    脉冲频率调制(PFM)/脉冲宽度调制(PWM)混合调制电路是突破传统的一个近乎完美的结合。

    PFM/PWM混合调制电路是一款低静态电流，高效率升压DC-DC转换芯片，它为单节充电电池及碱电池应用设备提供理想转换。其特性为低静态电流、低压自锁、电位感应自动输出高低档转换、集成同步整流、0.3Ω开关导通电阻、能消除电感震荡技术与过流过压保护等。该款芯片有可以被关断的引脚。超高的性价比是消费性电子产品设计的首选。

    以IV0lXX系列为典型代表作分析，图6为原理框图。

 
图6 IV0lXX系列PFM/PWM混合调制电路

    ⑴ 管脚定义

    LX-与电感相连；Vout-输出端；Vdd-内部电源；Vbat-输入；PGND-功率地；VSS-模拟地；FB-反馈端；CON-控制端

    ⑵ 特性指标

    输入电压范围为1.0V-1.8V，输出电压范围为2.0V-5.5V，转换效率为90%，超低静态电流；在0.95V以下低压自锁(UVLO)；电位感应自动输出高低档转换；具有100mV反馈输入与可调整恒流输出及逻辑性关闭控制；能消除电感震荡技术与过流过压的保护；其工作温度范围为40℃-85℃。

    ⑶ 典型应用——LCD背光

    以IV0101典型应用为例。IV0101作为一款高效直流升压芯片，普遍用在4种设备上，即：单节镍氢充电电池或碱电池手持便携设备，LCD背光，手机背光及LED手电照明。现仅以LCD背光与1W的LED手电为例作说明。

    ① LCD背光
    用LED作为LCD背光源已成为一个趋势。主要因为LED不仅体积小，使用寿命长，而且色彩表现方面也远胜传统的CCFL(冷阴极荧光灯)。IV0l01在一节干电池输入时，输出最高可达200mA，至少可驱动6颗并联的高亮LED(20mA，0.06W)，满足3英寸的LCD背光。图7(a)为IV0101芯片应用LCD背光设计原理图。

 
(a)[!--empirenews.page--]

(b)
图7 (a) IV0101芯片应用LCD背光设计原理图；
      (b) IV0101芯片应用1W LED手电设计原理图
图中参数说明见附录（1）。

    ② 1W LED手电方案
    该电路适用于双节干电池驱动1W的LED手电，当输入电压为2.4V时，输出电流可达300mA；2.8V时，输出电流可达400mA以上；并且点亮时间长，两度高，恒流无闪烁感。可为专业照明手电提供良好电源或其他设备提供恒流电源。通过调节R3与R4的值来设置输入电压范围，以达到低压自锁目的。图7(b)为IV0101芯片应用1W LED手电设计原理图。

    7  PFM/PWM混合调制电路IV0102的应用

    7.1 与IV0101相比的特点

    IV0102也是一款低静态电流，高效率升压DC-DC转换芯片。可调的恒压输出，为单节二节三节碱电池，镍氢电池，或单节锂电池等手持便携设备提供理想的电压转换。而特性为低静态电流，集成同步整流，低压自锁，0.3Ω开关导通电阻，消除电感震荡技术，过流过压保护，控制方式采用PFM/PWM。该款芯片有可以被关断的引脚。

    IV0102其特性指标与IV0101相比为输入电压范围1.0V-4.5V；输出电压范围：2.2V-5.5V；控制方式：PFM/PWM相结合，为可调整恒压输出。

    7.2 IV0102应用

    作为一款可调整恒压输出，高效率升压直流转换芯片，可做电源普遍用在手提便携设备中，即有单节二节三节碱电池，镍氢电池，或单节锂电池手持便携设备、便携医疗器材、蓝牙应用、手机应急充电器及便携数码产品等多种设备。值此仅以在升压电路与手机应急充电应用为例作说明。

    ⑴ 升压电路
    IV0102作为升压电源，最普遍的应用如图8（a）所示。如要将此路的输出电压设置为5.72V，分压电阻R1，R2由下面公式决定。

 
（a）
 
（b）
图8 （a）IV0102作为升压电源方案图；
               （b）IV0102在手机应急充设备中的应用方案图
图中参数说明见附录（2）。

    ⑵ 手机应急充电

    该设计适用于双节干电池手机应急充电设备，与传统的单节干电池应用相比有大电流输出、充电效率高等优势。当输入电压为2.0V时，输出电流可达240mA、2.4V时，输出电流可达300mA、3.0V时，输出电流可达380mA。可为NOKIA、SAMSUNG、Sony Ericsson、LG、MOTOROLA等大部分手机机型及数码相机、MP3、MP4、PDA等数码设备提供理想充电。图8（b）为IV0102在手机应急充设备中的应用方案图。