以进行下次比较。比较后产生的基准电压信号送入到PWM波产生模块，和其内部的三角波信号进行比较，从而产生PWM波信号。上述Boost升压DC/DC变换器的占空比就由FPGA输出的这个PWM波信号的占空比决定。
[0026]本发明的进一步技术方案是:上述的功率管驱动电路主要工作是增强PWM波的驱动能力，以驱动Boost升压DC/DC变换器中功率MOSFET。由于FPGA输出的PWM波信号电压为3.3V难以驱动Boost升压DC/DC变换器中功率管维持正常工作，因此该驱动电路采用互补推免结构的晶体管放大电路实现PWM信号电压的放大，以提升PWM信号驱动能力。
[0027]本发明的进一步技术方案是:上述FPGA芯片采用的是Actel公司最新IGL00系列抗辐射芯片AGL125，该芯片采用基于flash的工艺结构，掉电不丢失，上电速度快，同时具有较强的抗空间单粒子辐射效应能力。
[0028]参照图1，本发明的实施例包括开关电源电路、电流取样电路、电压取样电路、A/D采样电路、FPGA、功率管驱动电路以及锂电池。其中开关电源电路的输入与太阳能电池阵相连，输出与锂电池连接，其主要工作是调节太阳能电池阵的工作点，使其工作在最大功率点上，输出最大功率对锂电池进行充电；电流取样电路、电压取样滤波电路的输入均与太阳能电池阵连接，输出均与Α/D采样电路输入连接，其中，电流取样电路实现将太阳能电池阵输出电流信号转换成电压信号，电压取样滤波电路实现对太阳能电池阵输出的电压信号进行调理滤波；A/D采样电路将两路电流、电压信号进行模数转换，并输出数字信号至FPGA ;由FPGA实现功率跟踪控制，并输出PWM波信号，经过功率管驱动电路对PWM信号的放大从而驱动开关电源电路中的功率M0SFET，实现稳定持续的高效率充电。
[0029]如图2所示，开关电源电路采用Boost型DC/DC变换电路实现，其中P3接口与太阳能电池阵输出端连接，P2接口与图3中电流取样电路P6接口连接，P5接口与图4电压取样滤波电路中Pl接口连接，P4接口为锂电池端接口。该开关电源电路工作原理如下:当功率MOSFET管Q3导通时，续流二极管D4截止，从而太储能电感LI电流开始增大并进行存储磁场能量，同时，由于二极管反向特性，电容C7电场能量只能对P4接口的锂电池进行放电。反之，当Q3截止时，由于线圈LI中的磁场会改变电感LI两端的电压极性，这样就使得太阳能电池阵电压和电感LI的磁能转化而成的电压串联，整个电路向电容C7以及P4接口的锂电池进行放电。这样整个电路便实现了对锂电池的充电功能。
[0030]电流取样电路如图3所示，P6接口为电流信号输入端口，ACS712电流传感器实现将太阳能电池阵输出电流信号转换成电压信号，该信号有V1UT输出，在V1UT端口串联了一个电阻，并联了一个电阻和电容，起到滤波的作用，然后把这个信号输入到A/D采样器中，用以进行模数转换。
[0031]电压信号滤波电路主要完成太阳能电池阵输出电压信号的调理滤波功能，以便后续A/D采集处理。如图4，Pl接口为输入模拟信号接口，由太阳能电池阵输出电压信号提供，第一级运放AD8065以及R1、R2、R6、R8、R3、R9组成差分放大电路实现信号的衰减，以保证满足后续A/D采样器的输入要求；R5、C4组成滤波电路，以滤除高频噪声，滤波后的信号再经过一级电压跟随器，保证信号无衰减的送至A/D采样器。
[0032]A/D采样电路主要完成两路电流和电压信号的模数转换功能，参照图5，该电路采用的ADS1115串行模数转换器，该模数转换器与FPGA之间采用IIC总线进行通信，其模拟信号输入通道AINO输入电压信号，AINl输入经电流取样后的电压信号，两个模拟信号通道的切换由FPGA来进行控制。
[0033]由于FPGA输出的PWM波的最大幅值只有3.3V，无法直接驱动MOSFET功率管工作，因此需要加入功率管驱动电路。由于MPPT控制系统对功率管通断频率要求较高，因此，本发明采用互补推免功率放大电路，具体电路如图6所示。AQY210为光电耦合器，用以实现驱动电路与前级FPGA控制电路进行隔离；晶体管Ql、Q2组成互补推免结构，实现信号放大功能；电容C5用以为Q2提供直流偏执电压，同时对后继电路起到隔直流作用；续流二极管D2用来形成电流回路，提高开关管的关断速度，稳压二极管Dl、D3稳定输出电压，防止尖峰毛刺电压对MOS管造成击穿损害。
[0034]FPGA为整个MPPT控制器的核心模块，FPGA内部设计原理如图7所示，首先，AD采集控制模块将接收的经过AD采样器采样后的电压和电流信号分别存入采集电流存储器和采集电压存储器，由乘法器计算出信号功率，同时将计算得到的功率与功率值寄存器中预先存储的功率值进行比较，生成基准电压信号，同时，将比较后大的功率值存储在功率值寄存器中，用以进行下次比较。比较后产生的基准电压信号送入到PWM信号产生模块，和其内部的三角波信号进行比较，从而产生PWM波信号。
【主权项】
1.一种基于FPGA的小卫星MPPT控制系统，包括开关电源电路、电流取样电路、电压取样电路、A/D采样电路、FPGA、功率管驱动电路和锂电池，其特征在于:所述的开关电源电路与太阳能电池阵相连，为锂电池充电；电流取样电路、电压取样电路分别采集太阳能电池阵的输出电流、电压信号，调理滤波后经由A/D采样电路进行模数转换，并送进FPGA中，由FPGA实现功率跟踪控制，并输出PWM波信号，通过功率管驱动电路驱动开关电源电路正常工作。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的小卫星MPPT控制系统，其特征在于:所述开关电源电路为Boost升压DC/DC变换器，通过调节由FPGA输出的PWM波信号的占空比，来改变开关电源电路中功率管MOSFET的导通时间和关断时间，从而使光伏太阳能电池阵的输出电压维持在工作在最大功率点电压处，以最大功率对锂电池进行充电。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的小卫星MPPT控制系统，其特征在于:所述FPGA接收到AD采样器采样的电压和电流信号，通过乘法器计算出输出功率，将计算得到的功率与寄存器中预先存储的功率值进行比较，生成基准电压信号，同时，将比较后大的功率值存储在寄存器中，用以进行下次比较；基准电压信号送入到PWM波产生模块，和其内部的三角波信号进行比较，从而产生PWM波信号。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的小卫星MPPT控制系统，其特征在于:所述电流取样电路采用ACS712电流传感器，电压取样电路采用两级AD8065运算放大器，A/D采样电路采用TI公司的串行ADS1115采样芯片，FPGA采用Actel公司抗辐射芯片AGL125，功率管驱动电路采用互补推免结构的晶体管放大电路。
【专利摘要】本发明提供了一种基于FPGA的小卫星MPPT控制系统，开关电源电路与太阳能电池阵相连，为锂电池充电；电流取样电路、电压取样电路分别采集太阳能电池阵的输出电流、电压信号，调理滤波后经由A/D采样电路进行模数转换，并送进FPGA中，由FPGA实现功率跟踪控制，并输出PWM波信号，通过功率管驱动电路驱动开关电源电路正常工作。本发明不仅能够维持电源系统的高效率充电，而且能够抗空间粒子辐射效应，性能稳定。
【IPC分类】H02M3-155, H02J7-00
【公开号】CN104868551
【申请号】CN201510287609
【发明人】袁建平, 李立欣, 侯建文, 岳晓奎, 罗建军, 申礼斌, 万桂斌, 袁健华, 冯浩, 周德云, 张会生
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月29日