CN107092300B - 一种计数、数字存储和比较功能复用的mppt电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计数、数字存储和比较功能复用的MPPT电路，包括模拟转换单元、计数器单元和逻辑判断单元。模拟转换单元用来将输入的模拟电流形式的太阳能电池板功率值转换为时间值；计数器单元用来对模拟转换单元转换出的时间值进行计数，计数值大小反映时间的长短，从而反映模拟电流输入信号的大小；逻辑判断单元判断两个相邻周期的电池板功率值的大小，确定下一周期电池板输出电压的扰动方向。本发明能克服传统使用模拟比较器比较功率值大小中存在的比较器失调的问题，同时克服常见的计数方法使用复杂的存储器和数字比较模块带来的电路复杂性问题，具有广泛的应用价值。

Description

一种计数、数字存储和比较功能复用的MPPT电路

技术领域

本发明涉及太阳能电池板最大功率点跟踪(MPPT)领域，尤其涉及结构简单、低复杂度、高精度跟踪的MPPT算法实现电路。

背景技术

近年来，随着传统能源存量的日渐减少，加之全球性的气候问题和环境问题，绿色能源成为了全球各个国家关注的焦点。作为一项技术相对成熟的可再生清洁能源，太阳能发电在世界各国受到越来越多的重视，随之而来的是提升电池板的功率输出效率的最大功率跟踪(MPPT)器，也成为研究的热点。

在MPPT技术中，开始多采用DSP或MCU作为MPPT控制器的控制核心，但是复杂的电路和昂贵的价格，却并不适合大规模以及分布式轻量化的太阳能电池发电中的应用，因此适用于MPPT控制器的专用集成电路成为了趋势。

虽然MPPT算法有多种，但是由于扰动观察算法的实现简单和跟踪精度高的特点，在MPPT算法电路中被普遍采用。常见的基于扰动观察算法的MPPT电路多是直接采用一个模拟比较器，比较上一级输出电压值的大小，即扰动前后功率值的大小，从而确定扰动方向。这种方法电路结构简单，且易于实现，绝大多数的研究中，都使用这种方法。然而事实上，模拟比较器会有很大的离散问题，精度受工艺影响比较大，因此很难做到很高的跟踪精度，而且芯片之间跟踪精度离散是个无法解决的问题。此外，使用模拟比较器直接进行电压形式的功率值比较的另一个问题，是无法在大的电池板功率范围下依然工作正常，这是因为模拟比较器可承受的输入电压范围是有限的，从而决定可比较的电池板输出功率范围是受限的。为了克服这两个问题，一些研究中，不再使用模拟比较器，转而对功率处理和扰动方向判别模块使用数字的方法。这种方法可以克服模拟比较器中失调的问题，但是目前的方法中，都需要使用计数器、数字存储器和数字比较器，这导致芯片的复杂度会很高，有大量复杂的数字部分。为了解决这个问题，本发明提出了计数、数字存储和数字比较复用的MPPT电路。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，公开了一种计数、数字存储和比较功能复用的MPPT电路，包括：

模拟转换单元，用来将输入的模拟电流形式的太阳能电池板功率值转换为时间值；

计数器单元，用来对模拟转换单元转换出的时间值进行计数，计数值大小反映时间的长短，从而反映模拟电流输入信号的大小；

逻辑判断单元，判断两个相邻周期的电池板功率值的大小，确定下一周期电池板输出电压的扰动方向。

进一步地，所述的模拟转换单元包括：

片外电容C和片内模拟比较器。输入反映功率大小的电流，对片外电容C进行充电，当电压达到阈值电压时，片内模拟比较器输出停止计数器计数的信号，从而用来控制计数器计数的起止时间；

NMOS和PMOS组成的门电路，与片内模拟比较器的输出相配合，实现停止/开始计数信号的输出。

进一步地，当片内时钟信号到来时，输入的反映功率大小的电流开始对片外电容C充电，同时计数器开始计数，当片外电容C的电压达到阈值电压时，计数器停止计数，一个扰动周期结束，计数器的值代表了电池板输出功率值的大小。

进一步地，所述的计数器单元是由N个D触发器串联而成。此外还包括与D触发器对应的门电路，门电路是反相器电路和传输门电路，用于在加减法切换信号到来时将每个触发器翻转，实现下一周期计数器的减法计数功能。

进一步地，所述的D触发器按2分频的方式连接，即Q’端和触发器的D端相连，实现加法计数功能。

进一步地，所述的计数器单元，在时钟的控制下，在一个扰动周期内进行加法计数，而在下一个扰动周期内进行减法计数，如此交替变化，判断减法计数过程中计数器的值是否过0即可实现计数值的数字存储和数字比较功能的复用。

进一步地，所述的逻辑判断单元由N输入与门电路、双输入与门电路、或门电路和D触发器串联组成；N输入与门电路的N个输入端分别连接N位计数器的输出端。

进一步地，所述逻辑判断单元对N位计数器的输出进行与操作，判断输出是否为0，出现0则对逻辑判断单元中的D触发器触发一次，扰动方向改变；输出不为0，则不对D触发器触发，扰动方向不改变。

一种利用上述MPPT电路进行扰动方向判断的方法，该方法包括以下步骤：

(1)初始化：每个扰动周期开始时，复位信号将计数器单元清零；

(2)第一次扰动：时钟信号到来，逻辑判断单元输出扰动信号，使太阳能电池板的输出电压扰动一次；待电池板输出稳定后，反映功率值大小的电流信号对模拟转换单元的片外电容C充电，计数器开始加法计数，当片外电容C的电压达到设定的阈值电压，计数停止；之后，片外电容C放电至零电平，同时计数器中所有D触发器的值翻转一次，实现计数器值取反；

(3)第二次扰动：扰动信号再次到来，使太阳能电池板的输出电压扰动一次，方向和上一次相同；待电池板输出稳定之后，反映功率值大小的电流信号对模拟转换单元的片外电容C充电，计数器开始加法计数，当片外电容C的电压达到设定的阈值电压，计数停止；

(4)扰动方向判断：第二次计数过程中，判断计数器中所有D触发器的状态是否出现同时输出高电平的情况，即D触发器的Q’端全为0，则说明第二次扰动后，电池板输出功率值变大，那么下一周期扰动方向不变；否则，说明电池板输出功率值减小，那么下一次的扰动方向将反向。此时，一个判断周期结束，电路进入下一个循环。

本发明提出的实现计数、数字存储和比较功能复用的MPPT电路，相比于传统的基于模拟比较器架构的MPPT电路，电路的失调对跟踪精度和功率跟踪范围不会造成影响，而相对于普通的数模混合型的MPPT电路，具有电路复杂度低、功率跟踪范围大和跟踪精度高的特点。由于本发明提出的MPPT电路，实现计数、存储和比较功能复用，电路复杂度可以降低50％左右。将电池板输出功率转换为电流并对电容进行充电，跟踪精度可以达到99.9％，高出传统的99％-99.5％的跟踪精度。功率跟踪范围可以做到最大功率和最小功率比超过20倍，比普通的几倍或十几倍功率跟踪范围的MPPT电路要提高很多。

附图说明

图1是实现计数、数字存储和比较功能复用的MPPT电路的算法流程图；

图2是模拟转换单元的电路设计原理图；

图3是计数器单元的电路设计原理图；

图4是逻辑判断单元的电路设计原理图；

图5是本发明提出的MPPT电路在不同电池板功率电流下的跟踪精度。

具体实施方式

下面对实现计数、数字存储和比较功能复用的MPPT(Maximum Power PointTracking)电路进行详细的描述。

图1是计数、数字存储和比较功能复用的MPPT电路的算法流程框图。在周期开始时对计数器进行复位，计数器清零，接着电流形式的电池板输出功率对放电完毕的电容进行充电，同时计数器开始加法计数，当电容电压达到设定的阈值电压时，计数器停止计数，那么此时计数器中的值即代表了电池板输出功率值的大小。接着对电池板输出电压进行扰动，然后同样的方法对上一步的计数器进行计数，在计数的整个过程中，只要判断计数器是否有过全“1”点即可得出扰动前后电池板输出功率增大或减小。如果计数器出现全“1”，那么说明扰动之后电池板的输出功率变大，那么下一次的扰动方向应该不变；如果计数器没有出现全“1”，那么说明扰动之后电池板的输出功率减小了，那么下一次扰动时应改变扰动方向。扰动方向判别结束后，一个周期结束，电路回到初始点，计数器清零，开始下一周期的判别过程。

图2是模拟转换电路的原理图，用来实现功率电流向计数器值的转换。主要包括模拟比较器、片外电容与门电路和D触发器。Alter信号为高或电容电压达到阈值，计数脉冲都会被与门电路隔断和计数器的连接，否则计数器计数，实现电流向计数器值的转换。

图3是计数器模块，由D触发器和传输门连接而成。当计数器计数时，S为高电平，此时T1系列的传输门打开，而T2系列的传输门关闭，计数器正常计数；当第一轮计数结束，S拉低，T2系列传输门打开，而T1系列传输门关闭，触发器的CLK端与时钟信号Alter直接相连,而Alter为低电平，从而所有的D触发器的CLK端被拉低；当Alter信号拉高时，即CLK端会有一个上升沿到来，那么此时所有触发器的Q和Q’互换状态，0变1，1变0；而从整个计数器的值被取反。

图4是扰动方向判断模块电路以及其对应的时序。JT是扰动时钟，JT到来时，即对电池板输出电压进行一次扰动。周期开始时，Alter变为高电平，此时AND2门关闭，电容此时进行充分的放电，计数器停止计数；接着，复位时钟到来，对计数器进行清零，计数器中D触发器的Q和Q’端取反，即改变上一次的电压扰动方向；然后扰动时钟JT变高，电路扰动一次。待外部DC/DC转换器稳定后，电池板输出稳定的功率值，此时Alter信号拉低，计数器开始计数，同时电容开始充电。充电的过程中，AND2门打开，此时计数器从0开始计数，只要合理的选择充电电容值的大小和停止充电的阈值以及计数器的位数，就可以保证在电容电压达到阈值电压时，计数器不会溢出，即周期开始的第一次计数，AND1不会输出“1”。待计数器停止计数，Alter信号再次拉高，此时计数器的Q端和Q’端进行了互换，并且电容放电，然后JT信号到来，使电池板输出电压和上一次同方向扰动一次；紧接着，待外电路稳定之后，Alter再次拉低，计数器开始计数的同时，功率电流对电容进行充电。这个过程中，因为计数器Q端和Q’互换，所以对Q端而言，是对上一次的Q’进行加法计数，此过程中与门AND2打开。如果此次的功率值和上一次相比是变大，那么计数器Q端将会出现全“1”的情况，意味着下一周的扰动方向要不变；如果没有出现全“1”的情况，说明功率值变小，下一次扰动方向改变。

图5是最大功率跟踪电路跟精度随电流形式的功率值大小而变化的情况。横坐标是转换成电流形式的功率值。从图中可以看出，功率电流从5μA～100μA范围内，跟踪精度到可以达到99.9％，具有良好的跟踪性能。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种计数、数字存储和比较功能复用的MPPT电路，是基于扰动观察算法的最大功率点跟踪电路，用于太阳能电池板的最大功率点跟踪，其特征在于，包括：

模拟转换单元，用来将输入的模拟电流形式的太阳能电池板功率值转换为时间值；

计数器，用来对模拟转换单元转换出的时间值进行计数，计数值大小反映时间的长短，从而反映模拟电流输入信号的大小；

逻辑判断单元，判断两个相邻周期的电池板功率值的大小，确定下一周期电池板输出电压的扰动方向。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的模拟转换单元包括：

片外电容C和片内模拟比较器，输入反映功率大小的电流，将片外电容C充电至电压达到阈值电压时，片内模拟比较器输出停止计数器计数的信号；

NMOS和PMOS组成的门电路，与片内模拟比较器的输出相配合，实现停止/开始计数信号的输出。

3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，当片内时钟信号到来时，输入的反映功率大小的电流开始对片外电容C充电，同时计数器开始计数，当片外电容C的电压达到阈值电压时，计数器停止计数，一个扰动周期结束，计数器的值代表了电池板输出功率值的大小。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的计数器是由N个D触发器串联而成。

5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，所述的D触发器按2分频的方式连接，即Q’端和触发器的D端相连。

6.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的计数器，在时钟的控制下，在一个扰动周期内进行加法计数，而在下一个扰动周期内进行减法计数，如此交替变化，判断减法计数过程中计数器的值是否过0即可实现计数值的数字存储和数字比较功能的复用。

7.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述的逻辑判断单元由N输入与门电路、双输入与门电路、或门电路和D触发器串联组成；N输入与门电路的N个输入端分别连接N位计数器的N个输出端。

8.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述逻辑判断单元对N位计数器的输出进行与操作，判断输出是否为0，出现0则对逻辑判断单元中的D触发器触发一次，扰动方向改变；输出不为0，则不对D触发器触发，扰动方向不改变。

9.一种利用权利要求1-8任一项MPPT电路进行扰动方向判断的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)初始化：每个扰动周期开始时，复位信号将计数器清零；

(2)第一次扰动：时钟信号到来，逻辑判断单元输出扰动信号，使太阳能电池板的输出电压扰动一次；待电池板输出稳定后，反映功率值大小的电流信号对模拟转换单元的片外电容C充电，计数器开始加法计数，当片外电容C的电压达到设定的阈值电压，计数停止；之后，片外电容C放电至零电平，同时计数器中所有D触发器的值翻转一次，实现计数器值取反；

(3)第二次扰动：扰动信号再次到来，使太阳能电池板的输出电压扰动一次，方向和上一次相同；待电池板输出稳定之后，反映功率值大小的电流信号对模拟转换单元的片外电容C充电，计数器开始加法计数，当片外电容C的电压达到设定的阈值电压，计数停止；

(4)扰动方向判断：第二次计数过程中，判断计数器中所有D触发器的状态是否出现同时输出高电平的情况，即D触发器的Q’端全为0，则说明第二次扰动后，电池板输出功率值变大，那么下一周期扰动方向不变；否则，说明电池板输出功率值减小，那么下一次的扰动方向将反向；此时，一个判断周期结束，电路进入下一个循环。