基于光伏电池组件的ZigBee芯片供电电路设计

摘 要： 介绍了一种用于光伏电池组件的ZigBee芯片监控系统直接从光伏电池组件中获取电能、以保证ZigBee芯片监控系统正常工作的一种高效自适应供电电路设计。由于光伏电池组件输出电压在一天中变化较大，一般稳压电路模块不能承受这样的输入电压，同时因受安装空间和成本限制，一般DC/DC电路模块也不能选择。针对这样的情况，利用ZigBee芯片CC2430、RC延时电路、VMOS管调整电路、3.3 V稳压模块等通过巧妙设计，实现了在较大的直流电压波动环境下，高效稳定的输出3.3 V直流电压，为ZigBee芯片系统提供了稳定可靠的工作电能。

关键词： 光伏电池； ZigBee； 高效自适应供电电路； 电路设计

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）20?0163?03

0 引 言

太阳能光伏电池组件是太阳能光伏发电站的核心部件，由于太阳能光伏电池组件往往是安装在室外的，其工作状况的监控和维护十分不便，因此，现代太阳能光伏电池组件越来越多采用电子信息技术实现有线或无线远程监控，使得太阳能光伏电池组件的运行管理更加便捷高效，本文所涉及到的就是一种基于ZigBee芯片CC2403为核心的远程无线监控系统，由于太阳能光伏电池组件生产的特殊要求，远程数据采集传送电路系统一是电路板体积要尽可能小，二是不能用干电池供电，这就要求电路尽可能简单，便于安装，供电简单而可靠。然而由于太阳能光伏电池组件输出直流电压一天中变化太大[1?2]，一般的稳压电路不能满足要求，若用多级稳压模块级联，则电源电路的效率低，稳压模块能耗大、发热明显，若用独立的DC/DC模块，一是会增加电路板的体积，二是会增加谐波干扰，三是相对成本要高一些，鉴于以上情况，设计一款稳定供电电路就尤为重要了，本文充分利用太阳能光伏电池组件ZigBee芯片CC2430的资源，配合以RC延时电路，VMOS管调整电路和AMS1117稳压芯片，较好的解决了3.3 V供电电源的问题，同时又不会对CC2430芯片完成对光伏组件监控任务的主要功能产生明显的影响。

1 系统设计

本文所研究的系统由两个部分组成，即硬件部分和软件部分。

1.1 系统硬件设计

1.1.1 CC2430芯片简介

CC2430采用0.18 μm CMOS工艺生产，芯片工作时电流为27 mA，芯片在接收和发射模式下，电流消耗分别低于27 mA和25 mA，是一款低耗能的集成电路芯片[3]。

CC2430芯片上集成了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器，它使用一个8位的MCU（8051），具有128 KB可编程闪存和8 KB内存RAM，还包含有A/D转换器、定时器、AES?128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O端口[3]，可以说功能十分强大。CC2430结构框图如图1所示。

1.1.2 电路系统结构及工作原理

从图2可以看出，供电电路主要由无线单片机CC2430、光电耦合器、VMOS开关管、电阻R1，R2构成的电压取样电路、电阻R3和电容C1组成的延时电路、3.3 V稳压模块等组成。

由太阳能电池相关资料并通过实验发现，一个额定输出电压为24 V的太阳能电池，输出电压与太阳辐照能量紧密相关，最低时可接近零伏输出，最高时可超过[1?2]24 V，若将多组电池串联，则电池组总输出电压的变化之大可想而知。AMS1117稳压模块的最大输入电压只有15 V，不能承受15 V以上太阳能电池的直接馈电，为了确保电路工作安全正常，在本电路系统设计中用VMOS管T1来调节过高的直流电压，保证AMS1117稳压模块的输入电压能在允许的范围内变化，确保AMS1117稳压模块的工作安全可靠。该电路系统高效工作的关键就在于VMOS管T1必须工作于开关状态，同时尽可能降低AMS1117稳压模块的输入电压，以降低整个电源电路的直流功耗，提高电路工作效率，降低电路的发热。由图2可以看出，太阳能电池输出电压由电阻R1和电阻R2构成的分压电路取样并由CC2430的A/D通道采集变换[4]，在CC2430中通过软件产生PWM波并由CC2430的P0.4输出，可以直接驱动VMOS管T1，也可以直接驱动光藕器件，由于电路中VMOS管T1三个电极的工作电压均超过了CC2430的安全工作电压，因此，CC2430的P0.4端口不能直接连接到VMOS管T1的栅极上，而是通过了一个光藕隔离，PWM波通过光藕直接驱动VMOS管T1工作，当太阳能电池输出电压在一定范围内变化时，通过PWM波占空比变化使VMOS管T1调节输入电压，保证AMS1117的输入直流电压在允许的范围内。本电路设计中，RC延时电路的设计也很重要，是为了防止电路系统突然供电时，因CC2430初始化需要时间，不能马上输出PWM波，有可能导致AMS1117稳压模块的输入端承受过高直流电压而带来危险，同时，电路设计中还考虑到了CC2430芯片单独复位时带来的危险因素，那就是RC延时电路和CC2430芯片复位电路实现联动，考虑到CC2430芯片故障时不至于造成更大的损失，在电源电路的输入端还加装了保险丝。通过这一系列的设计考虑，确保了本设计的安全可靠。

1.2 系统软件设计

由于本设计考虑尽可能减少元器件数量，充分挖掘利用CC2430中资源，降低电路成本，缩减电路板体积，PWM控制中采用定时器中断方式，即利用定时器中断服务程序产生PWM波，确保其他程序的运行不影响PWM波，因此，在CC2430定时器Time1，Time2，Time3，Time4中，可以选择Time1，Time3，Time4，不能选择Time2，因为Time2是MAC定时器，本文中选择Time1定时器为PWM波发生器，合理设置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，就可以获得PWM波输出。T1控制寄存器中相应项要设置成为输出比较方式，其中，T1CC0L和T1CC0H设置为合适的固定值，而T1CC2L和T1CC2H中的值则由A/D变换器得到的数值决定。程序流程图如图3所示。

从图3中可以看出，PWM波占空比的调整依赖于A/D变换得到的数据，本设计中PWM波周期由T1CC0决定，占空比由T1CC2决定。部分程序如下：

2 结 语

本设计中，充分利用了CC2430芯片中的功能，减少了元器件的数量，降低了成本，通过实验得到的数据证明，其结果完全能达到设计指标和性能要求，但在实验过程中也发现，启动PWM功能后，对CC2430转换数据和转发数据的速度有一点影响。好在本设计是针对太阳能光伏电池组件的有关参数采集和转发而设计的，这种电池组件对采集和转发数据的速度要求不高，所以，本设计完全能满足要求，在其他对CC2430采集数据和转发数据的速度要求不高的应用领域，这个系统的设计也是能满足应用要求的。

参考文献

[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] 杨烨.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计[J].测控技术，2008（12）：66?69.

[5] 李劲松，杨明，刘晓平，等.基于CC2430和ZigBee2006协议栈的通讯模块设计[J].现代电子技术，2010，33（3）：25?28.

[6] 陈杰.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2002.

[7] 高文杰，杨次，翟庆志.MCU控制的光伏电池测试仪设计[J].现代电子技术，2011，34（4）：208?210.