基于如韵电子CN3306方案的升压式MPPT太阳能板充电电路设计

hhdjz13813 · 发表于 2023-7-22 14:49:19

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本帖最后由 hhdjz13813 于 2023-7-22 16:14 编辑

最近想买一辆房车拿来玩，计划是找个有工信部公告的房车厂买个空壳子自己设计里面的水电管路，毕竟作为一个工程师，买别人的成品有一种耻辱感。

于是乎开始计划里面需要哪些模块，想了一下应该有：能源管理与220V逆变、无线遥控照明灯、视频监控系统、低压供电网用于手机平板充电、水泵之类的设备遥控控制系统。
其他家的房车都是把中控台什么的集成在车里面占了一大坨空间，我个人感觉很没必要，全车控制以及数据回传用无线通信多好，再自己做个小PDA，一个遥控器就可以控制全车所有设备，查看所有设备的状态数据，这样岂不妙哉。

现在就从能源管理方面开始设计，首先是电池部分，铅酸电池首先排除，房车专用成品电池排除，因为我看不上那些垃圾玩意，一堆不知道什么来源的大单体，均衡性鬼知道好不好，而且这些电池组电芯之间的隔离光靠那个热缩管？尼玛房车摇摇晃晃皮磨破了岂不火光加闪电？作为专业的工程师，我完全不信任市场上这些电池组。
所以电芯我自己选了LG的M50LT，亿纬的50E，都是21700，1000个循环寿命的。做了好几个6S10P电池组，刚好一度电一个包，这样还方便运到办公室白嫖电费，就算某个电芯有问题，报废一个包即可，不用整组报废维修。自己组装的时候电芯之间都用了阻燃泡沫双面胶做了隔断，而且自己做的电池包用料什么的自己都清楚，用着放心得多。
电池组.jpg

电池管理方面我公司有成品解决方案，直接拿来用就行了，现在需要解决的就是太阳能充电的问题。
市售太阳能电池板大功率的普遍都是18V电压，但是电池组充满电是25.2V，所以需要升压或者升降压MPPT充电方案。查询了市面上支持升压的MPPT方案，发现如韵电子的CN3306方案很有意思，主打一个简单实用。因此我计划每个120W的太阳能板通过一个CN3306模块升压给电池组充电，多个模块还可以并入能源管理系统，可以检测每一块电池板的输出功率信息。至于为什么不用成品的那些房车专用MPPT，讲句实在话，我不相信设计这些模块的工程师的水平，这些模块大部分的设计初衷都是能用不起火就行。
我先看了一下如韵官方的PCB参考设计，简直就是不堪入目，有如韵的人在吗？这是哪个实习生画的PCB？要我说直接开了吧，布局走线随心所欲，线宽乱七八糟，拜托你们能不能审核一下你们发布的东西，用户看见你们的参考Demo都是这个鸟样子，会怎么看你们，Demo都画的这么烂芯片里面的版图岂不是设计得更烂？
如韵.PNG

于是乎搜了下淘宝的成品模块，毕竟有现成的能拿来用，就懒得自己设计了，结果，呵呵，出来罚站吧。

上图这家的设计者，你知不知道有一种东西叫陶瓷电容的直流偏压效应？就是陶瓷电压的实际容量会随着加载的电压升高逐渐降低。下面这个全陶瓷电容设计，你猜猜加电压后它的实际容量会是多少？另外，你用的陶瓷电容不会是淘宝买的什么三星电容吧，1210封装，还是X7R材质，100uF容量，100V耐压？如果是的话，祝你焰火表演看得开心。

上面这个板子我无言以对了，你用的MOS管大可以再复古一点，真的，你可以主打一个古典韵味。
输入加了个肖特基就自称防倒流技术？拜托，看看Boost电路的原理图，这玩意会倒流吗？你多加个肖特基在那里除了发热以外一无所用。
捕获.PNG

上面这个，100W功率是真敢标，暴力风扇顶着吹吧，你这1206封装的采样电阻可以支持的耗散功率多大自个查查，再计算一下它的满载实际发热量，ok？
另外，用钽电容又不加TVS，祝你上电炸电容炸的开心，不过看上去钽聚合物要过压很多次才会出问题，所以倒霉的不是你，是用户。

这个板子中规中矩勉强能看，就是功率比较低，不符合我的需求。

市面上没有现成模块可用怎么办？凉拌自己干，只能自己设计了。
先去如韵电子官方下了辅助设计的excel文档，填写设计参数后照着原理图画了第一版。

我选择的设计参数中充电电压比6串三元锂25.2V的充电截止电压低一点，考虑的是万一电池有一点点不均衡，这个模块也不会把某一串电芯给过充掉。
MPPT跟踪电压考虑到电阻阻值尽量取整且要市面上买得到，选择了比18V稍微低一点的电压。
一代.jpg

上图就是第一代设计，想做袖珍一点，通过底部和电感肖特基MOS贴铝片散热，结果测试的时候发现，哦ho，积热太严重，被动散热情况下满载温度90+，设计不通过。
看上去这种功率设备还是得画的粗放一点才行。
一二代对比.jpg

紧接着设计了第二版，如上图所示，底部贴满了散热片，电感电流采样分成了2个2512电阻并联，电感、MOS、肖特基每个都加了一个小散热片，结果一测试，还是有点积热，悬空状态下满载温度85。
这就很奇怪了，120W功率就算效率90%，这个模块发热量也就十多瓦的样子，人家十多瓦的显卡无风扇设计这么大的散热片都够用，我这还不够用了？
不过我感觉可能是我自己要求过高了，我设计东西，最多允许它升到微微烫手的感觉，烫熟了就直接不合格，不过像MOS管、肖特基这些元器件实际上是允许长期八九十度工作的。

但是！但是我还发现了一个其他的问题，那就是这个模块长期工作的时候不太稳定，具体表现在：
1.手一碰上去就停止充电了，哪怕是碰散热铝片，放开手过几秒就又开始充。（SHDN引脚悬空导致）
2.芯片手一摸又停止工作了，放开手又恢复正常。（MPPT跟踪电压采样电阻过大，手本身的电阻就有几兆欧，并联上去影响采样值）
3.模块放在那充着充着充电灯亮着呢输入电流归零了？（SHDN引脚悬空导致）
捣鼓了大半天，以为芯片坏了换了芯片继续试，还是一样的效果。
又研究了半天，我又想骂娘了，如韵电子你个坑爹货，你PCB是实习生画的excel设计表也是实习生画的吧？

自个看看你excel里面的原理图是啥样的，SHDN引脚没有内部下拉的情况下悬空，FB的R1电阻高端1uf电容被吃了？
还有，你计算出来的推荐值动不动就是几兆欧姆，静态功耗是小了，万一电阻上有脏东西呢？万一电路板受潮了呢？受潮都会产生一个几兆欧的寄生电阻，和你原来的电阻并联你觉得你的反馈电压还准不准？
于是乎自己飞线把SHDN加了个下拉电阻，MPPT跟踪反馈以及输出电压反馈的分压电阻改小了一点，这下模块才工作正常。
但是我对于板子自发热这一块看得比较重，要设计就设计可以用100年的东西，这么高的工作温度，芯片内部电子迁移效应会让这个板子几年或者十多年就报废了，所以又重新设计了一版。新的版本中把SHDN引脚引了出来，考虑的是以后可能会用能源管理模块控制这个充电模块，让某一路充电停止工作。
以下是最终版的原理图：

最终版的设计图：

可能会有人质疑焊盘上不应该打过孔，会漏锡，但是我的Gerber文件里底层还盖了一整层丝印，一层阻焊一层丝印把孔给堵得严严实实的，实测不会漏锡下来，这样设计还可以改善功率器件的散热效果。

做出来成品如下所示，底部的散热片也加大加厚了一号。
三代焊接成品.jpg

我做东西有个习惯，喜欢堆料，就是奔着用100年去做的。
上面这个成品，陶瓷电容全部都是村田、TDK的车规级电容，普通电阻都用KOA的RK73H系列，也是通过了AEC-Q200的汽车级物料，电解电容是黑金刚的汽车级EMZA系列。
采样部分的电阻，考虑到板子工作时温度变化很大，所以用的是0.1%精度25ppm/℃的薄膜电阻，薄膜电阻采用磁控溅射工艺生产，一致性、精度、温度特性好很多，厚膜电阻是丝网印刷的，精度和一致性会差一些。
三代风扇.jpg

板子背面我还加了个24V小散热风扇，和太阳能输入端并联在一起，有电输入时他才会转，而且风扇额定电压高于太阳能板工作电压，也不会满载，稍微有点微风能够对流散热一下就可以大幅度降低散热片温度。
三代正面对比.jpg

以上是一二三代成品的对比效果，一代更比一代大。
三代侧边对比.jpg

一代更比一代厚。

第三代在20.1V，6.3A输入的情况下工作5分钟，整个模块只有一点温温的感觉，热成像看最高温度41左右，室温27，完美。

以下是CN3306的参考资料：

CN3306.rar (676.66 KB, 下载次数: 17)
其中包括了CN3306数据手册，经过我修改过的excel辅助设计工具，官方的一个说明文档。

以下是我这边第三代板子的Gerber文件，各位有需要可以直接拿去嘉立创生产，钢网的话也可以直接淘宝上开一个15块钱的小钢片即可。
打样参数选择：FR-4，1毫米板厚，1盎司铜厚。

Project Outputs for CN3306 V3.rar (68.75 KB, 下载次数: 9)

以下是Gerber文件的点位图：

原理图：

BOM表：

辅料：
1.散热片开槽80*50*15MM x1
2.散热片开槽 11*11*5MM x3
3.散热风扇台达5*1厘米 24V 2线静音风扇 x1
4.散热风扇配套网罩 x1
5.安装螺丝 M3.5*19十字沉头自攻螺丝 x4
散热片粘接推荐使用天目的硅酮导热胶，24小时彻底固化后强度高韧性好，和铝合金片粘接非常紧。

注意事项
1.我推荐的物料都贵的离谱，如果嫌贵想用工业级的，可以参考原理图自己选型，但是陶瓷电容禁止使用X5R、Y5V之类的材质，最低等级都得选X6S，推荐X7R。
2.我的设计中是按5A输出电流设计的，如果需求的功率比这个大，或者MPPT电压、输出电压需要调整，可以参考我上面提供的excel辅助设计工具修改电阻阻值，该工具输入设计参数自动可以生成电阻参数。如果你的太阳能板功率比我设计的功率小，只要是18V的板子都不影响正常使用，直接照着生产就行了。太阳能板功率远大于以上设计功率，也可以多个模块并联使用，反正一个模块120W功率，360W的电池板就三个并联。
3.上面那个excel设计工具最好采用我的推荐值，不要采用官方原版值，否则板子稍微脏一点就可能工作不正常了。
4.我的原理图中把输出电压反馈拆分成了R9 R7 R14三个电阻，R9一般取50K，由设计工具计算出高边电阻的阻值通常是特殊值，所以2个电阻串联可以最大限度逼近特殊值，具体取值多少自己看着办吧，如果不会的话就不要做了，建议温习初中电阻串并联知识。
5.电感电流采样电阻官方管理图是一个，我给拆分成了2个，因为5A输出电流情况下电感电流最大可能达到9A，一个2512封装12毫欧的电阻发热量就是0.972W，虽然比电阻本身支持的功率小，但是积热很严重，设计东西的时候得考虑极端情况，万一这个模块就是在太阳底下暴晒还工作在一个闷罐里怎么办。我个人的建议是，不用管官方推荐值是多少，就用2颗和输出电流检测电阻一样的型号就行。

原始设计文件就恕我不提供了，主要是怕专利流氓给我发律师函，虽然我这个AD只是个人偶尔画画图使用，商用又不用它。Gerber文件是可以直接提交生产的，建议各位提交设计资料给工厂的时候也提交gerber文件，尽量避免给自己惹麻烦。
如果有需要又懒得生产，我在闲鱼上也有多余的这个模块卖，用料如上图一样都是顶级用料，做多了几个所以挂出来。

另外，结尾的时候咨询一下坛友们，C型房车，最好是轻卡底盘，依维柯底盘也可以接受，必须自动挡，带旅居车公告可以正常上牌，只需要最基本的结构家具不要任何电器包括什么电视机微波炉电磁炉之类的，所有的灯，电池，逆变，整车管理设备都由我自己提供，多少钱合适？有房车厂可以提供这类车的话请带价直接和我私聊吧，指不定逛逛论坛还可以给你增加一笔业绩。

hhdjz13813 · 发表于 2023-9-21 20:39:11

车已上牌，正在DIY中，大概10月中旬发帖

微信图片_20230921155021.jpg

更新：https://www.mydigit.cn/thread-416460-1-1.html

Lucca · 发表于 2023-7-22 15:02:17

这个不错呀，怎么收藏呢

soaps2010 · 发表于 2023-7-22 15:24:40

这个要顶下，收藏与顶，不错，

忘情居士 · 发表于 2023-7-22 15:34:27

LT8705,用这个芯片做效率会高一些

铃兰花匠 · 发表于 2023-7-22 15:44:30

20伏3度电能干嘛？有自己买电池不如买成品48伏通讯电池组，保护完善还有上位机查看每个电池的情况。你别说全新成品通讯电池不行！难道你的用电需求还比基站高！
至于逆变器，成品的48伏离线光伏5千瓦逆变器怎么着也比你自己设计的省事吧，甚至可以直接用基站逆变器，就是功率小了一点，只有3千瓦。

还有房车包括内部设计都是有备案的，你私自改造抓你简直一抓一个准。

川江号子 · 发表于 2023-7-22 15:46:19

大神的作品，膜拜了。

邪恶海盗 · 发表于 2023-7-22 15:46:49

壕,我们那号称"专汽之都",有兴趣可以私通一下,不过按你提供的设备改装可能不太现实,因为厂家要对安全负责的,不能保证你提供的设备没问题...

hhdjz13813 · 发表于 2023-7-22 15:54:39

铃兰花匠发表于 2023-7-22 15:44
20伏3度电能干嘛？有自己买电池不如买成品48伏通讯电池组，保护完善还有上位机查看每个电池的情况。你别说 ...

我这不是三坨电池，下面旁边还堆叠的有很多。至于电池保护，我是做无人机的，无人机的智能电池管理方案比大多数行业的所谓智能电池靠谱得多，而且我也可以实时检测每个电池的状态，精度到小数点后4位。我要是用锂电池做四十多伏的方案，串的数量越多越难做平衡管理，太阳能充电也不好做。
逆变器倒是不自己设计，直接买成品纯正弦波逆变器，把里面的供电改了，78系列的管子直接换成DCDC降低静态功耗。

hhdjz13813 · 发表于 2023-7-22 15:57:30

邪恶海盗发表于 2023-7-22 15:46
壕,我们那号称"专汽之都",有兴趣可以私通一下,不过按你提供的设备改装可能不太现实,因为厂家要对安全负责的 ...

我倒是不需要厂家对设备负责，厂家只要给个最基础配置就行，上牌后我自己来处理，现在这些成品车在我看来，很多电器都是多余的，空调也不想用贵得要死的专用空调，直接家用空调一级能效不香么。

hhdjz13813 · 发表于 2023-7-22 16:04:29

忘情居士发表于 2023-7-22 15:34
LT8705,用这个芯片做效率会高一些

多谢，只是这个方案外围器件太多，设计起来比较麻烦，以我这喜欢偷懒的尿性，CN3306这个方案简直就是绝配。

邪恶海盗 · 发表于 2023-7-22 16:07:03

hhdjz13813 发表于 2023-7-22 15:57
我倒是不需要厂家对设备负责，厂家只要给个最基础配置就行，上牌后我自己来处理，现在这些成品车在我看来 ...

搞那么多配置是为了提高卖点,毕竟买房车的都不差那点...

铃兰花匠 · 发表于 2023-7-22 16:07:40

hhdjz13813 发表于 2023-7-22 15:54
我这不是三坨电池，下面旁边还堆叠的有很多。至于电池保护，我是做无人机的，无人机的智能电池管理方案比 ...

24伏大功率的逆变器很少哦，除非你自己设计或者买山寨逆变器，48伏的3C认证成品就多了，比如古瑞瓦特离线太阳能逆变器，还可以最多6台并机30KW输出。有房车专用的甚至还可以组成三相380输出！

但是他们都有一个统一的输入电压:48伏！

hhdjz13813 · 发表于 2023-7-22 16:20:25

本帖最后由 hhdjz13813 于 2023-7-22 16:27 编辑

铃兰花匠发表于 2023-7-22 16:07
24伏大功率的逆变器很少哦，除非你自己设计或者买山寨逆变器，48伏的3C认证成品就多了，比如古瑞瓦特离线 ...

我现在用的逆变器是希耐特的24V 3000W纯正弦波逆变器，改了里面给核心板供电的78系列芯片，现在静态功耗很低，长时间待机也不是问题。至于他的功率我实测过没有虚标，直接顶着功率上限持续跑温控做的也还可以。
之前我算过，家用大一匹空调实际功率750W，就算再加个1000W的电磁炉，再加所有的灯，不过也就两千多瓦，绰绰有余。我个人计划车上电脑供电的话，台式机直接把电源给拆了，自己用德州仪器的大功率Buck-Boost方案做个宽电压输入转3.3 5.0 12V的DCDC电源，笔记本的话有成品PD模块可以用，效率比逆变器+电源适配器转一遍高得多。

至于为什么不买成品电池的最大原因是:能量密度太低了。
我选的M50LT，轻松做到小300Wh/kg，而且这个电池寿命非常长，1000个循环衰减到80%。很多成品电池组不舍得用这么好的电芯，直接大单体组装，大单体最大的问题就是一致性不好控制，我的M50LT电池组做完初始平衡，在不插平衡模块的情况下使用几个循环，电压差不超过0.003V。就算是用圆柱电池组装，有些厂家不上支架直接用个治具就开始装了，电池之间就靠那薄薄一层皮来绝缘，我不敢用。