基于TI_WEBENCH? Designer_微逆变器供电方案的设计

文章概要：

一、微逆变器介绍
二、WEBENCH® Designer 简介与快速入门
三、WEBENCH® Designer微逆变器供电系统设计
四、WEBENCH® Designer微逆变器供电系统设计总结

一、微逆变器介绍

随着能源短缺，光伏发电越来越成为一种具有非常潜力的新型替代能源。相对石油，太阳能光伏发电近乎0碳排放。显然这能大大缓解全球碳排放造成全球气候变暖的问题。而光伏发电系统主要分类有两种：第一种集中式逆变器组成发电系统，第二种也就是本文讲到的微逆变器发电系统。

前者通常是高电压多组件串联供电应用于大型的发电系统。后者单组件的微逆变器并联工作。相比集中式逆变器发电系统而言，单个组件的微逆变器效率更高，系统可靠性更加高并维护方便，由于是并联工作消除了集中式由于阴影遮挡、光伏板组件差异、系统整体效率低下等等各种不利因素。所以微逆变器有更高的效率，通常能达到是95%以上。

而本文主要阐述如何用TI的WEBENCH® Designer软件对微逆变器的供电系统的设计。

图1微逆变器的外观图

1. 微逆变器设计框图（控制结构）

本微逆变器设计采用了交错反激的并网逆变器结构及其软开关控制策略。并针对反激变压器漏感问题，提出漏感能量吸收回馈电路，实现了反激变换器漏感能量吸收再利用，并实现了开关管漏源电压的钳位，提高了变换效率同时降低了MOS开关管关断电压尖峰。微型逆变器主要工作原理是将光伏电池板的直流电流直接转换为成交流电流。本工程设计微变器额定功率为250瓦，输入电压范围在19 VDC至50 VDC内，最大开路电压为55V。

图2微逆变器设计框图

2. 微逆变器设计的功能：

峰值效率：95％
最大功率点跟踪：99.5％
最大输出功率：216W
电网电压范围（230 VAC）：210 VAC-264 VAC
输入电压范围：19VDC-50VDC
电气隔离
支持无线通信

3. 微逆变器供电系统结构图

图3微逆变器供电系统结构图

4. 微逆变器主要芯片供电分析

从微逆变器供电结构图发现主要有以下10块

P V 电压检测AMC1200dub +3.3v，+5v。（芯片供电，以下类推）
反激电流检测opa2171*2路+5v。
反激电压检测opa2171+5v.
电网电压检测opa2171+3.3v
电网过零检测LMV7235+3.3v
电网电流检测opa2171+3.3v电流传感器(ACS712ELCTR-05B 供电+5V)
全桥温度检测LM61+3.3v
反激变换驱动iso7240 SM72295+3.3v,+5v,+12v
全桥驱动ucc2734+3.3v
微控制器DSP28035+3.3vADC 基准2.5v

综合分析主要供电有以下几路，2.5v，3.3v，5v，12v。

为减少干扰，供电驱动与系统控制采用独立的供电。供电系统结构如图4

图4微逆供电结构图

那么接下来对各路供电电流进行一个统计计算：

+2.5v 首先是+2.5v电流查DSP数据手册ADC基准供电电流2ma，可能有多路基准额定给了20ma
+3.3vDSP28035 供电3.3v电流查数据手册得到最大一般是135ma

而其它各路放大器以及3,3V供电回路大概是20ma足够再加上基准20ma.

所以3.3V供电电路=135+20+20=177ma，放一定余量后，3.3v额定电流设为350ma。

+5v从供电结构图可以看到5V供电电路需要加上3.3v 350ma，额定电流设定为500ma足够。
+12v系统控制12v，其负载为+5V.所以为:500ma<额度电流<1都可以，设定为1A
+12v反激驱动+全桥驱动额定电流也设置为1A。

有了这些数据那么接下来可以用WEBENCH® Designer设计这个微逆变器供电电路了。在设计之前，先简单介绍下WEBENCH® Designer的使用。

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二、 WEBENCH® Designer 简介与快速入门

简介：WEBENCH® Designer 是TI公司一款网页版本的小功率电源设计软件，它能生成单个电源芯片的原理图，PCB，以及元器件表格，和仿真文件，可供设计者下载本地。同时它还可以设计滤波器、LED驱动电源、FPGA和微处理器电源，ADC的基准电源、时钟、传感器、接口等共8个分类。每个总类还有细分功能，非常丰富，另外WEBENCH® Designer 还可以编辑绘制原理图，不过WEBENCH® Designer主要功能还是小功率电源设计，本节主要是通过一个单负载输出的方案，带你快速入门WEBENCH® Designer。

打开TI网页，登录后就可以直接设计，如果你未注册，用邮箱注册一下也很方便，同时网站的服务器能保存你的设计，随时可以下载到本地。

入门设计步骤共6步：

下面以一个系统默认的单电源设计为例，输入电压14v～22V，输出3.3v，输出电流2A，环境温度30度。

进入设计界面后选择，最高性能，优化器旋钮选择效率最高，然后进入设计步骤如下。

图5WEBENCH® Designer 设计步骤

具体请参考附件的（WEBENCH® Designer 简介与快速入门）。

三、WEBENCH® Designer微逆变器供电系统设计

第一步：打开TI主要找到这个软件，前面介绍了单负载设计，我们这个项目选择多负载设计。

第二步：添加第一路12V供电，输入为19～50V，输出电流1A---------》交错反激驱动+全桥MOS驱动。

第三步：设置第2个系统12V电源，输入19～50v，输出电流1A

第四步：给第2个电源加三个负载分别是：5v 500ma,3.3v350ma,2.5v20ma。

第五步：提交项目后，把优化器旋钮转到效率最高，点击检查项目细节。

第六步取个名字点击生成工程

第七步生成后的工程画面

第八生成后的工程下拉画面。

第九原理图下载

注意：虽然是多负载，但是你下载原理图还只能以单芯片的原理图，而本设计综合了4路供电的原理图，所以你都要下载的话只能分别下载。

第十分享工程设计

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四、WEBENCH® Designer微逆变器供电系统设计总结

WEBENCH® Designer是根据你的输入输出电压、输出电流、电源的效率、以及器件成本、PCB的尺寸等等选项，并生成符合你设计要求的供电芯片电路，同时也推出备用供电芯片方案，供你手动选择。这其实就是黑箱子操作原理。你输入什么要求，就能输出符合你要求的（原理图、仿真图、热仿真、以及器件清单，等等）整个工程设计文件。但是无需管箱子内部，最重要是只要输出满足你的设计条件，整个设计就算OK了。往简单了说，WEBENCH® Designer其实一个器件选型软件。

而本设计主要输入了各路供电的输入输出电压，输出电流，并用了软件的优化器旋钮。在微逆变器中我们追求的是较高的效率，对供电器件成本不是敏感，并要求高质量与高效率，所以这里在输入条件时候，我们选择把优化器旋钮旋到最右边到底，为效率最高。而软件自动选型了以下三款芯片。如图7.1软件生成的电源供电电路的结构图。

图7.1微逆变器的电源结构图

下面对三款芯片原理图进行简单的介绍。

第一款lm46002 ，12v1A (5v0.73a)

注意，在设计时候，第2路的输出设定是12V，而这里软件改成了5V，错了没有？没有。因为第2路12V的主要负载是5V,3V,2.5V，所以软件根据设计意图进行了自动优化，其原理也是很简单的，虽是同一个芯片，但只要根据电阻的阻值比选择，LM46002能输出不同的输出电压。图7.1原理图有WEBENCH® Designer软件生成（其它两款芯片原理图一样是有软件生成）。

图7.2lm46002 ，12v1A (5v0.73a)原理图.

lm46002输出效率图

如图7.2图中 红绿蓝分别代表典型值19v，34.5v，50v负载电流的效率图,以输入电压19v（红线）为例，在0.5a～0.6a的负载电流，效率为97.8%～97.7%，实际从图7.3中可以看出负载电流在0.5a～0.6a之间为最高，三路典型电压值在此处效率均为最高。

图7.3 lm46002输出电流效率图

第二款 TPS563208 ,3.3v 0.37a.

从TI官网数据手册可知:TPS563208输入电压范围：4.5V 至17V，输出电压范围：0.76V 至7V，输出电流最大3A.。跟lm46002一样，TPS563208同为同步降压稳压器，只是输入输出电压与电流区别。WEBENCH® Designer软件在3.3v,0.37a负载支路自动选型了这款芯片。表2为官网数据手册推荐的元器件参数。

TPS563208 输出电压计算公式：VOUT=0.768*(1+Rfbt/Rfbb)。

表2 官网推荐的元器件值

表2与原来图7.4器件序号对应关系：R1=Rfbt, R2=Rfbb, ci=c8+c9。

有WEBENCH® Designer生成的数据，Rfbt=33.2k,Rfbb=10k,L1=3.3uh,cin=22uf输出电压为3.3v，

如原理图7.4。完全符合官网器件数据手册的设计参数值。

看来这也算是一种革命，本来的设计是需要查询数据手册，然后根据官网提供数据规格与实际的输入环境来设计电路，而用WEBENCH® Designer后只要输入电压，输出电压，输出电流，以及要求效率后，直接生成原图，这的确简便多了。尤其是在设计多个电源的时候，用WEBENCH® Designe比常规的电源设计效率更高。图7.4TPS563208 3.3v 0.37a.供电原理图同样有软件生成。

图7.4TPS563208 ,3.3v 0.37a原理图

TPS563208输出效率图

如图7.5，红绿蓝分别代表4.5v,5v,5.5v输入电压的负载电流的效率图。从图中输入电压（红线）4.5v为例，0.2a~0.25a区域效率约为96.6%～96.7%最高。此图基本上反馈了器件的整体转换效率。注意这里实际输入电压5V，额度电流为0.37a左右，而实际电流值200ma~250ma左右，器件正好工作在最高效率的负载电流区域。

图7.5TPS563208输出电流与效率的关系图

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第三款 ATL432，2.5v 0.02a

这是一款低静态电流可调节精密分流稳压器，从官网数据手册可知，atl432能输出稳2.5~36V稳压值，并连续可调;参考电压原误差为+-1.0%，低动态输出电阻,典型值为0.22欧姆输出电流1.0~100毫安;全温度范围内温度特性平坦，典型值为50ppm;低输出电压噪声。

WEBENCH® Designer软件在2.5v，0.02负载支路中，选型了这款芯片。

从官网数据手册可知，atl432与大家很熟悉的TL431是完全一样功能，只是引脚与编号不同。所以这里不在描述，具体atl432效率输出图可以参考本设计的工程文档webench_250微逆变器电源工程文档.pdf.当然你也可以查阅TI官网数据手册，同样在本设计中 ATL432的原理图有软件自动生成，如同7.6。

图7.6 ATL432，2.5v 0.02a原理图

项目总结：经过原理图分析，电路仿真以及与三个芯片lm46002、TPS563208、ATL432数据手册对比。由WEBENCH® Designer 软件生成的三款芯片的原理图完全符合了设计的要求。

从软件生成的工程文件得出数据：

1.微逆变器供电系统总效率为94.384％

2.系统总BOM数34.0

3.总系统BOM成本约为$9.96

4.系统总功耗728.8毫瓦

到此整个微逆变器供电系统设计全部完成，并达到了预期设计效果。

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