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微芯片电源电路设计论文

经查阅国内外相关文献,在基于ZigBee技术的太阳能光伏电池组件远程监控系统中,数据的采集电路通常由独立的DC-DC电源模块供电.DC-DC电源模块负责把光伏电池组件输出的电能转化为数据采集电路需要的电源[1-3].但是采用独立的DC/DC模块进行供电具有一定的弊端,首先它会增大了电路板的尺寸,其次会增加研发成本,最后谐波的干扰也会增大很多[4].鉴于上述问题,本文研究了基于太阳能光伏电池模块的微芯片电源电路.该电路巧妙利用CC2530芯片中A/D变换采集的电压、电流数据,通过芯片中MCU分析比较产生PWM波,通过PWM控制电路中的VMOS调整管,使其输出为5V左右的电压,然后再通过AMS1117稳压芯片得到3.3V稳定工作电压.本文提出的供电电路设计有自适应和宽动态特性.因为太阳能光伏组件输出的直流电压在一天中变化很大,如果用多级稳压模块级联,则电源电路的效率低、能耗大,该电源电路通过脉宽调制和模拟稳压混合模式实现了对宽动态范围输入电压的自适应稳压,并具有能耗低、效率高的优点[5-6].

1硬件部分

1.1CC2530参数CC2530集ZigBeeRF前端、微控制器和内存为一体,CC2530采用8位MCU(8051),256kB可编程闪存和8kBRAM,并包括A/D转换器,AES-128协同处理器,定时器,32kHz晶振的睡眠模式定时器,掉电检测电路,上电复位电路和21个I/O端口,功能可以满足大部分的研发需求[7].CC2530框图如图1所示.CC2530芯片用0.18μmCMOS的制作工艺,CC2530在接收以及发送模式时,电流消耗都小于30mA和40mA,工作电流为20mA,是一款功耗低、集成度非常大的芯片[8].1.2电路结构及工作原理基于光伏太阳能电池组件的微芯片电源电路结构,如图2所示,电源电路大体用微处理器CC2530,光电耦合器,VMOS开关管T1,电阻R1、R2组成的电压采样电路,电阻R3以及电容C1构成的延时电路,3.3V稳压模块AMS1117等部分构成.额定输出电压24V的太阳能光伏电池组件,在太阳辐射能量最小可以接近0V输出,最大可以高于24V.由于AMS1117稳压模块的输入电压不能超过15V,承受不住超过15V的太阳能光伏组件直接供电.为了保证电路板的安全,在此设计中通过使用VMOS管(T1)来调整太高的直流电压,以确保AMS1117稳压模块的输入电压可以在设定范围内改变,保证AMS1117稳压模块安全稳定的工作.本设计中VMOS管T1一定要在开关状态下工作[9].同时为了提高电路的效率,通过设置VMOS管T1的输出电压为5V,从而最大限度地降低了AMS1117稳压模块的输入电压,从而减少了全部电源电路的直流能耗,使整个装置的发热也减少了很多.如图2,由R1和R2组成的分压电路连接着太阳能光伏组件输出端,用于电压采样.假设太阳能光伏组件的输出电压为US,由R1、R2组成的分压电路的输入电压设为Ui.由于Ui=US,则分压电路的输出电压Uof为:Uof=R2R1+R2Ui=R2R1+R2US(1)考虑到CC2530的A/D变换器,它的输入电压为0~1V,此设计中取样电路分压比设置为:Uof=US/30(2)由CC2530的A/D通道采集电压数据后,发送至网络协调器,该数据同时也是控制PWM占空比的依据.CC2530通过内部定时器生成PWM波然后由P0.4输出信号驱动光耦器件.因为在电路中T1的三个电极工作时的电压都高于CC2530的安全电压,所以CC2530的P0.4端口与VMOS管T1的栅极直接相连.如图2,本电路中CC2530通过光耦隔离连接到T1栅极.PWM信号通过光耦驱动VMOS管T1,在太阳能电源输出电压发生波动时,PWM信号占空比会发生变化,可以通过这个变化来调整AMS1117输入电压,包括调整VMOS管T1的输出电压,以确保AMS1117输入电压在设定的范围内变化[10].太阳能光伏电池组件突然对电路供电时,考虑到CC2530初始化要一定时间,不能立即产生PWM信号,AMS1117稳压模块突然通过太高的电压,有可能发生危险,所以增加设计了RC延时电路,以及电源电路输入端加装保险丝来减少芯片发生故障时的损失,同时CC2530在独自复位时,可能会有危险,所以在此设计中采用CC2530与RC延时电路联动复位机制.

2软件设计

本电路设计中CC2530芯片既承担了数据通信及组网的任务,还承担了控制电源输出电压的任务,程序设计十分关键.笔者在ZigBee协议的研究基础上,对CC2530通信应用程序模块、组网程序模块、电源控制模块等进行统筹设计,使通信、组网、电源管理等程序模块协同工作.鉴于此,在电源控制程序模块设计中,控制PWM的时用定时器来进行中断,就是用定时器的中断服务来生成PWM信号,保证PWM波不受其它程序的干扰.在选择CC2530定时器时,由于Time2是Mac定时器,Time1、Time3、Time4可以用,Time2不能用.此设计中用Time1定时器来产生PWM波,通过设置T1CTL0寄存器、T1CTL2寄存器、T1CTL寄存器、T1CC0H和T1CC0L寄存器、T1CC2H和T1CC2L寄存器,即可输出PWM波.在T1控制寄存器里,对应选项要设定成输出对照方式,T1CC0H和T1CC0L设定成适合的固定的数值,T1CC2L与T1CC2H的数值就由A/D变换器得出的值来确定,以上过程流程如图3.由图3可知,PWM波占空比是通过A/D变换得出的结果来调节的.此设计中,PWM波的周期是通过T1CC0确定的,T1CC2来确定占空比.

3实验结果分析

基于太阳能光伏组件的微芯片电源电路,其输入的直流电源来源于太阳能光伏电源组件,当太阳能光伏电源组件输出直流电压US发生变化时,这个电源电路各主要测试点的电压波动情况从图4可看出.当太阳能光伏电池组件输出电压US较大幅度变化时,电源电路VMOS管T1的源极测试点电压Uo变化幅度明显减小,特别是当US大于10V以上时,Uo升高的幅度较小,且US与Uo之间的电压差会变得越来越大,而CC2530的电源正极电压U3.3非常稳定,但是当US降低到低于8V时,Uo明显下降,US与Uo之间的电压差越来越小,同时CC2530正极电源电压U3.3开始下降,低于3.3V,CC2530芯片工作状态受到影响,工作出现不稳定.由此可见,太阳能光伏电源组件的直流输出电压不能低于8V.

4结语

本文中CC2530的功能被充分的使用了,外围元器件减少了很多,使得成本大大降低,而且效率提高了.分析实验所得的数据可知,实验结论基本可以满足设定的指标的和功能的需求.但是,在实验中也发现了一些问题,PWM功能启用会对CC2530转换数据以及转发数据有些许影响,但由于该设计是专采集和转发太阳能光伏电源组件相关参数的,对芯片的工作速度需求不是很高,因此该设计的目的完全能够达到.另外在其它领域,只要对采集数据和转发数据的效率要求不是很高,都是可以应用的.

参考文献:

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[6]NASIRIA,ZABALAWISA,MANDICG.Indoorpowerharvestingusingphotovoltaiccellsforlow-powerapplications[J].IEEETransIndElectron,2009,56(11):4502-4509.

[7]王小强,欧阳骏,纪爱国.无线传感器网络节点太阳能供电系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,13(3):56-58.

[8]王战备.基于太阳能的无线传感器网络节点供电系统设计[J].渭南师范学院学报,2013,28(12):64-68.

[9]张永梅,杨冲,马礼,等.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法[J].计算机工程,2012,38(3):71-73.

[10]谭建军.基于光优电池组件的Zigbee芯片供电电路设计[J].现代电子技术,2013,36(20):163-165.

作者:钟万熊 徐鹏飞 朱 黎 尧志伟 黄定懿 单位:1.湖北民族学院 2.国网利川市供电公司团堡供电所

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