廣芯微600W雙向DC-DC升降壓轉(zhuǎn)換平臺方案

廣芯微電子(廣州)股份有限公司于2024年12月宣布推出基于其UM32G421微處理器芯片打造的600W高效率雙向DC-DC升降壓轉(zhuǎn)換參考開發(fā)平臺，集成高性能MPPT與Sub-GHz無線通訊功能，采用Si MOS器件，實(shí)測MPPT效率99.5%，DC-DC雙向升降壓峰值效率近99%，可選用GaN器件，獲得更高效率。該參考設(shè)計(jì)以其卓越的性能、精簡的BOM以及靈活的架構(gòu)，助力客戶快速開發(fā)極具競爭力的光伏功率優(yōu)化器、PV光伏Hub、MPPT控制器、便攜式儲能、陽臺儲能及電動兩輪、三輪車DC-DC轉(zhuǎn)換器等組網(wǎng)和離網(wǎng)電力電子產(chǎn)品。

平臺方案實(shí)物圖

概述

雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種能夠?qū)⑤斎氲闹绷麟妷荷呋蚪档偷剿璧妮敵鲭妷核降碾娮釉O(shè)備，在保持輸入、輸出電壓極性不變的情況下，根據(jù)實(shí)際所需改變電流的方向，實(shí)現(xiàn)雙象限運(yùn)行的雙向變換，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸。這種類型的轉(zhuǎn)換器在電池充電與放電系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)、電動汽車以及不間斷電源(UPS)等系統(tǒng)中非常有用。

MPPT，全稱為Maximum Power Point Tracking(最大功率點(diǎn)跟蹤)，是一種用于光伏(PV)系統(tǒng)中的技術(shù)，旨在最大化光伏電池或模塊的能量輸出。由于光伏電池的輸出電流-電壓特性曲線(I-V曲線)是非線性的，存在一個(gè)特定的電壓點(diǎn)(最大功率點(diǎn)，MPP)，在這個(gè)點(diǎn)上，光伏電池可以輸出最大的電功率。MPP的位置會受到環(huán)境因素如光照強(qiáng)度、溫度等的影響而變化。MPPT技術(shù)就是為了找到并維持在這個(gè)MPP上。

廣芯微開發(fā)的600W雙向DC-DC升降壓轉(zhuǎn)換平臺方案集成MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤以及Sub-GHz無線數(shù)據(jù)通訊功能，主控芯片為廣芯微自研的多功能數(shù)字電源處理器芯片UM32G421，無線通訊采用廣芯微Sub-GHz無線SoC UM2080F32開發(fā)的無線模組URM2680。該平臺目前可以支持最大光伏輸入功率為600W、PV輸入電壓范圍為12V-75V，輸出電壓范圍為48V-52V，具備電流采集、電壓采集功能，支持隔離串口、485、CAN-FD以及Sub-GHz無線通訊，MPPT效率99.5%，DC-DC峰值效率99%。

平臺方案功能框圖

平臺方案實(shí)測參數(shù)表

應(yīng)用示例

光伏MPPT控制器、便攜式儲能、陽臺儲能

光伏PV Hub

組件級光伏功率優(yōu)化器

電動兩輪車/三輪車 DC-DC轉(zhuǎn)換器

關(guān)于UM32G421

UM32G421采用ARM Cortex-M4內(nèi)核，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，支持DSP指令集，性能強(qiáng)大，集成了包括高精度PWM、高精度SAR ADC、三角函數(shù)運(yùn)算協(xié)處理器、豐富的外設(shè)接口等多種資源，可在-40~125℃穩(wěn)定工作，能夠滿足工業(yè)控制、汽車電子、新能源等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

?處理器內(nèi)核：Cortex-M4，最高主頻 204MHz

?內(nèi)置單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持DSP指令集

?64KB SRAM，256KB eFlash

?最多支持54個(gè)GPIO，20/14/6/2mA 四檔驅(qū)動可配

?37路PWM輸出，PWM最高精度1.736ns

?2路低功耗LPUART，4路通用UART，2路USART

?3路I2C，最高速率1Mbps

?支持CAN-FD接口，通信速率最高5Mbps，同時(shí)兼容CAN2.0A/B協(xié)議

?1個(gè)12位DAC，采樣率1Msps

?2個(gè)12位SAR-ADC，16通道，支持單端和差分輸入 , 最高采樣率5.25Msps

?3個(gè)OPA，3個(gè)ACMP

?1個(gè)USB接口，支持全速USB FS Device接口(內(nèi)置 PHY)

?集成Cordic 運(yùn)算加速器(sin、cos、arctan、平方根、乘法、除法等)

?硬件加解密：AES(128/256)

?工作溫度：-40°C ~125°C

關(guān)于無線模組URM2680

無線通訊模塊URM2680是基于UM2080F32芯片開發(fā)的Sub-GHz射頻收發(fā)模塊。采用(G)FSK, OOK調(diào)制方式，工作在315/433/868/915MHz ISM頻段，支持靈活可設(shè)的數(shù)據(jù)包格式，支持自動應(yīng)答和自動重發(fā)功能，支持跳頻操作，支持FEC功能，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性和低功耗等技術(shù)特點(diǎn)。

?工作頻率：315/433/868/915MHz

?工作電壓：1.8V~3.6V

?工作溫度：-40°C ~105°C

?調(diào)制方式：(G)FSK, OOK

?數(shù)據(jù)率：0.1k ~ 300 kbps

?發(fā)射功率：-20dBm 至 +20dBm

?最高接收靈敏度：-130dBm@0.1Kbps

?通訊距離：1km(理想環(huán)境)

關(guān)于UM2080F32

無線收發(fā)SoC芯片UM2080F32采用32位ARM Cortex-M0+內(nèi)核，內(nèi)置64KB 嵌入式FLASH，支持UART、SPI、QSPI、I2C、LPTIMER、WDT等多種接口，集成完整的射頻接收機(jī)、射頻發(fā)射機(jī)、頻率綜合器和高效率BUCK DC-DC轉(zhuǎn)換器，只需配備簡單、低成本的外圍器件就可以獲得良好的收發(fā)性能。芯片支持(G)FSK,OOK調(diào)制方式，最大輸出功率為20dBm，支持傳輸數(shù)據(jù)率在0.1kbps~300kbps之間，內(nèi)部各128bytes的TX/RX FIFO。

?頻率范圍：200MHz~960MHz

?調(diào)制方式：(G)FSK, OOK

?數(shù)據(jù)率：0.1k ~ 300 kbps

?發(fā)射功率：-20dBm 至 +20dBm

?最高接收靈敏度：-130dBm@0.1Kbps

?處理器內(nèi)核：Cortex-M0+，主頻32MHz

?16KB SRAM，64KB eFlash

?CAN總線接口：CAN2.0A/B協(xié)議，1Mbps

?12位SAR-ADC，1Msps

?內(nèi)置運(yùn)算放大器、比較器

?工作溫度：-40°C ~105°C

關(guān)于雙向DC-DC升降壓參考開發(fā)平臺

廣芯微在開發(fā)雙向DC-DC升降壓轉(zhuǎn)換平臺方案時(shí)，基于自研芯片的性能特點(diǎn)，充分考慮平臺方案的兼容性，性能優(yōu)勢與可擴(kuò)展性，產(chǎn)品包含如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.高效的MPPT效率

常見的MPPT實(shí)現(xiàn)算法有Perturb and Observe (P&O) 擾動觀察法、Incremental Conductance (INC) 增量電導(dǎo)法、Hill Climbing 爬山法、Fractional Open-Circuit Voltage 分?jǐn)?shù)開路電壓法、Fractional Short-Circuit Current 分?jǐn)?shù)短路電流法、Artificial Intelligence (AI) 人工智能方法等，MPPT技術(shù)是提高光伏系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，不同的MPPT算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的算法需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和系統(tǒng)需求來決定。廣芯微開發(fā)的MPPT算法能夠顯著提高太陽能光伏系統(tǒng)的跟蹤性能，通過控制光伏電壓并直接生成所需的占空比，實(shí)現(xiàn)了高收斂速度和零最大功率點(diǎn)波動，同時(shí)消除了升壓轉(zhuǎn)換器輸出的紋波問題。方案平臺的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該算法在快速變化的太陽輻射條件下跟蹤效率高達(dá)99.5%以上。

平臺方案MPPT實(shí)測曲線

2.優(yōu)異的DC-DC Buck Boost轉(zhuǎn)換效率

DC-DC轉(zhuǎn)換器的峰值效率是指在特定的工作條件下，轉(zhuǎn)換器能夠達(dá)到的最大效率，這個(gè)值是轉(zhuǎn)換器性能的重要指標(biāo)之一，通常用來評估其在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的優(yōu)化程度。高峰值效率意味著轉(zhuǎn)換器能夠在較低的功率損耗下工作，這對于提高系統(tǒng)整體的能源利用率、減少熱耗散和延長電池壽命等有著重要意義。廣芯微團(tuán)隊(duì)嚴(yán)選合適的外圍器件、優(yōu)化PWM控制策略，精心設(shè)計(jì)PCB布局版圖，并結(jié)合有效的散熱設(shè)計(jì)以維持元件在最佳工作溫度范圍，最終實(shí)現(xiàn)升降壓型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)化器自半載起Vout48V時(shí)的峰值效率近99%。

平臺方案實(shí)測效率曲線

3.高效能量轉(zhuǎn)換

基于平臺方案開發(fā)的功率優(yōu)化器能夠恢復(fù)發(fā)電損失的3%~25%，顯著提升光伏系統(tǒng)的能源利用率，實(shí)現(xiàn)近99%的峰值效率。該成果的取得，得益于主控芯片UM32G421的卓越性能和成熟算法的深度融合，UM32G421搭載ARM Cortex-M4內(nèi)核，內(nèi)置FPU(單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元)和DSP指令單元，以其高達(dá)255DMIPS的CPU運(yùn)算性能和702分的CoreMark跑分，為該雙向DC-DC Buck Boost開發(fā)平臺提供了強(qiáng)大的計(jì)算支持。除此之外，UM32G421的低功耗特性，包括1.5μA @ Standby模式和70μA/MHz @ Run模式，進(jìn)一步確保了功率優(yōu)化器在高效運(yùn)行的同時(shí)，保持了能源的節(jié)約。

4.靈活的通訊連接方式

該參考平臺集成了豐富和靈活的有線和無線通訊方式，包括隔離串口、485、CAN-FD以及Sub-GHz無線通訊。廣芯微基于自研UM2080F32無線收發(fā)SoC芯片研發(fā)的高性能Sub-GHz URM2680無線通信模塊，支持200MHz~900 MHz工作頻段，具備-130dBm的高靈敏度和20dBm的最大輸出功率，這一技術(shù)特點(diǎn)使得URM2680模塊在遠(yuǎn)距離通信和強(qiáng)穿透力方面表現(xiàn)出色，尤其適用于需要長距離無線連接和在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定通信的應(yīng)用場景。無線通訊功能的加入使得整體方案支持單片光伏板發(fā)電量實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)合板級的過壓、過流、過溫保護(hù)設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在無線信號傳輸衰減的地方，URM2680還支持有線通信，通過RS485接口將信號通過有線的方式傳輸?shù)椒?wù)器。方案平臺創(chuàng)新性地采用有線及無線雙模通信方式，配合廣芯微自研的Umiclink工業(yè)網(wǎng)關(guān)，為客戶在光伏儲能的應(yīng)用中提供更加靈活、高效的組網(wǎng)解決方案。

5.易擴(kuò)展性

在廣芯微工程師的支持下，該參考平臺可以很靈活地調(diào)整電壓范圍及不同功率的設(shè)計(jì)，后續(xù)也將植入鋰電池充電管理功能以及增加LCD彩屏顯示功能等。

廣芯微電子(廣州)股份有限公司的600W雙向DC-DC升降壓光儲平臺評估套件業(yè)已上架，歡迎垂詢。

關(guān)于廣芯微

廣芯微電子(廣州)股份有限公司聚焦光伏新能源、工業(yè)控制和汽車電子產(chǎn)業(yè)，為客戶提供差異化的微處理器芯片、快充與數(shù)字電源SOC和性能卓越的無線射頻芯片，并圍繞這些芯片打造特色的電機(jī)控制方案平臺、數(shù)字電源方案平臺和低功耗無線射頻方案平臺。