基于光伏電池組件的ZigBee芯片供電電路設計

摘 要： 介紹了一種用于光伏電池組件的ZigBee芯片監控系統直接從光伏電池組件中獲取電能、以保證ZigBee芯片監控系統正常工作的一種高效自適應供電電路設計。由于光伏電池組件輸出電壓在一天中變化較大，一般穩壓電路模塊不能承受這樣的輸入電壓，同時因受安裝空間和成本限制，一般DC/DC電路模塊也不能選擇。針對這樣的情況，利用ZigBee芯片CC2430、RC延時電路、VMOS管調整電路、3.3 V穩壓模塊等通過巧妙設計，實現了在較大的直流電壓波動環境下，高效穩定的輸出3.3 V直流電壓，為ZigBee芯片系統提供了穩定可靠的工作電能。

關鍵詞： 光伏電池； ZigBee； 高效自適應供電電路； 電路設計

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0163?03

0 引 言

太陽能光伏電池組件是太陽能光伏發電站的核心部件，由于太陽能光伏電池組件往往是安裝在室外的，其工作狀況的監控和維護十分不便，因此，現代太陽能光伏電池組件越來越多采用電子信息技術實現有線或無線遠程監控，使得太陽能光伏電池組件的運行管理更加便捷高效，本文所涉及到的就是一種基于ZigBee芯片CC2403為核心的遠程無線監控系統，由于太陽能光伏電池組件生產的特殊要求，遠程數據采集傳送電路系統一是電路板體積要盡可能小，二是不能用干電池供電，這就要求電路盡可能簡單，便于安裝，供電簡單而可靠。然而由于太陽能光伏電池組件輸出直流電壓一天中變化太大[1?2]，一般的穩壓電路不能滿足要求，若用多級穩壓模塊級聯，則電源電路的效率低，穩壓模塊能耗大、發熱明顯，若用獨立的DC/DC模塊，一是會增加電路板的體積，二是會增加諧波干擾，三是相對成本要高一些，鑒于以上情況，設計一款穩定供電電路就尤為重要了，本文充分利用太陽能光伏電池組件ZigBee芯片CC2430的資源，配合以RC延時電路，VMOS管調整電路和AMS1117穩壓芯片，較好的解決了3.3 V供電電源的問題，同時又不會對CC2430芯片完成對光伏組件監控任務的主要功能產生明顯的影響。

1 系統設計

本文所研究的系統由兩個部分組成，即硬件部分和軟件部分。

1.1 系統硬件設計

1.1.1 CC2430芯片簡介

CC2430采用0.18 μm CMOS工藝生產，芯片工作時電流為27 mA，芯片在接收和發射模式下，電流消耗分別低于27 mA和25 mA，是一款低耗能的集成電路芯片[3]。

CC2430芯片上集成了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器，它使用一個8位的MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB內存RAM，還包含有A/D轉換器、定時器、AES?128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O端口[3]，可以說功能十分強大。CC2430結構框圖如圖1所示。

1.1.2 電路系統結構及工作原理

從圖2可以看出，供電電路主要由無線單片機CC2430、光電耦合器、VMOS開關管、電阻R1，R2構成的電壓取樣電路、電阻R3和電容C1組成的延時電路、3.3 V穩壓模塊等組成。

由太陽能電池相關資料并通過實驗發現，一個額定輸出電壓為24 V的太陽能電池，輸出電壓與太陽輻照能量緊密相關，最低時可接近零伏輸出，最高時可超過[1?2]24 V，若將多組電池串聯，則電池組總輸出電壓的變化之大可想而知。AMS1117穩壓模塊的最大輸入電壓只有15 V，不能承受15 V以上太陽能電池的直接饋電，為了確保電路工作安全正常，在本電路系統設計中用VMOS管T1來調節過高的直流電壓，保證AMS1117穩壓模塊的輸入電壓能在允許的范圍內變化，確保AMS1117穩壓模塊的工作安全可靠。該電路系統高效工作的關鍵就在于VMOS管T1必須工作于開關狀態，同時盡可能降低AMS1117穩壓模塊的輸入電壓，以降低整個電源電路的直流功耗，提高電路工作效率，降低電路的發熱。由圖2可以看出，太陽能電池輸出電壓由電阻R1和電阻R2構成的分壓電路取樣并由CC2430的A/D通道采集變換[4]，在CC2430中通過軟件產生PWM波并由CC2430的P0.4輸出，可以直接驅動VMOS管T1，也可以直接驅動光藕器件，由于電路中VMOS管T1三個電極的工作電壓均超過了CC2430的安全工作電壓，因此，CC2430的P0.4端口不能直接連接到VMOS管T1的柵極上，而是通過了一個光藕隔離，PWM波通過光藕直接驅動VMOS管T1工作，當太陽能電池輸出電壓在一定范圍內變化時，通過PWM波占空比變化使VMOS管T1調節輸入電壓，保證AMS1117的輸入直流電壓在允許的范圍內。本電路設計中，RC延時電路的設計也很重要，是為了防止電路系統突然供電時，因CC2430初始化需要時間，不能馬上輸出PWM波，有可能導致AMS1117穩壓模塊的輸入端承受過高直流電壓而帶來危險，同時，電路設計中還考慮到了CC2430芯片單獨復位時帶來的危險因素，那就是RC延時電路和CC2430芯片復位電路實現聯動，考慮到CC2430芯片故障時不至于造成更大的損失，在電源電路的輸入端還加裝了保險絲。通過這一系列的設計考慮，確保了本設計的安全可靠。

1.2 系統軟件設計

由于本設計考慮盡可能減少元器件數量，充分挖掘利用CC2430中資源，降低電路成本，縮減電路板體積，PWM控制中采用定時器中斷方式，即利用定時器中斷服務程序產生PWM波，確保其他程序的運行不影響PWM波，因此，在CC2430定時器Time1，Time2，Time3，Time4中，可以選擇Time1，Time3，Time4，不能選擇Time2，因為Time2是MAC定時器，本文中選擇Time1定時器為PWM波發生器，合理設置T1CTL寄存器、T1CCTL0寄存器、T1CCTL2寄存器、T1CC0L和T1CC0H寄存器以及T1CC2L和T1CC2H寄存器，就可以獲得PWM波輸出。T1控制寄存器中相應項要設置成為輸出比較方式，其中，T1CC0L和T1CC0H設置為合適的固定值，而T1CC2L和T1CC2H中的值則由A/D變換器得到的數值決定。程序流程圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，PWM波占空比的調整依賴于A/D變換得到的數據，本設計中PWM波周期由T1CC0決定，占空比由T1CC2決定。部分程序如下：

2 結 語

本設計中，充分利用了CC2430芯片中的功能，減少了外圍元器件的數量，降低了成本，通過實驗得到的數據證明，其結果完全能達到設計指標和性能要求，但在實驗過程中也發現，啟動PWM功能后，對CC2430轉換數據和轉發數據的速度有一點影響。好在本設計是針對太陽能光伏電池組件的有關參數采集和轉發而設計的，這種電池組件對采集和轉發數據的速度要求不高，所以，本設計完全能滿足要求，在其他對CC2430采集數據和轉發數據的速度要求不高的應用領域，這個系統的設計也是能滿足應用要求的。

參考文獻

[1] HORZEL J， SZLUFCIK J， NIJS J， et al. A simple processing sequence for selective emitters [C]// 1997 Twenty-Sixth IEEE Photovoltaic Specialists Conference. Anaheim， CA： IEEE， 1997： 139?142.

[2] SZLUFCIK J， DUERINCKX F， HORZEL J， et al. Advanced concepts of industrial technologies of crystalline silicon solar cells [J]. Opto?Electronics Review， 2000， 8（4）： 299?300.

[3] Texas Instruments. CC2430 data sheet （rev 2.1） SW RS036F [R]. US： Texas Instruments， 2008.

[4] 楊燁.基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計[J].測控技術，2008（12）：66?69.

[5] 李勁松，楊明，劉曉平，等.基于CC2430和ZigBee2006協議棧的通訊模塊設計[J].現代電子技術，2010，33（3）：25?28.

[6] 陳杰.傳感器與檢測技術[M].北京：高等教育出版社，2002.

[7] 高文杰，楊次，翟慶志.MCU控制的光伏電池測試儀設計[J].現代電子技術，2011，34（4）：208?210.