广芯微600W双向DC-DC升降压转换平台方案

广芯微电子(广州)股份有限公司于2024年12月宣布推出基于其UM32G421微处理器芯片打造的600W高效率双向DC-DC升降压转换参考开发平台，集成高性能MPPT与Sub-GHz无线通讯功能，采用Si MOS器件，实测MPPT效率99.5%，DC-DC双向升降压峰值效率近99%，可选用GaN器件，获得更高效率。该参考设计以其卓越的性能、精简的BOM以及灵活的架构，助力客户快速开发极具竞争力的光伏功率优化器、PV光伏Hub、MPPT控制器、便携式储能、阳台储能及电动两轮、三轮车DC-DC转换器等组网和离网电力电子产品。

平台方案实物图

概述

双向DC-DC转换器是一种能够将输入的直流电压升高或降低到所需的输出电压水平的电子设备，在保持输入、输出电压极性不变的情况下，根据实际所需改变电流的方向，实现双象限运行的双向变换，从而实现能量的双向传输。这种类型的转换器在电池充电与放电系统、可再生能源系统、电动汽车以及不间断电源(UPS)等系统中非常有用。

MPPT，全称为Maximum Power Point Tracking(最大功率点跟踪)，是一种用于光伏(PV)系统中的技术，旨在最大化光伏电池或模块的能量输出。由于光伏电池的输出电流-电压特性曲线(I-V曲线)是非线性的，存在一个特定的电压点(最大功率点，MPP)，在这个点上，光伏电池可以输出最大的电功率。MPP的位置会受到环境因素如光照强度、温度等的影响而变化。MPPT技术就是为了找到并维持在这个MPP上。

广芯微开发的600W双向DC-DC升降压转换平台方案集成MPPT最大功率点跟踪以及Sub-GHz无线数据通讯功能，主控芯片为广芯微自研的多功能数字电源处理器芯片UM32G421，无线通讯采用广芯微Sub-GHz无线SoC UM2080F32开发的无线模组URM2680。该平台目前可以支持最大光伏输入功率为600W、PV输入电压范围为12V-75V，输出电压范围为48V-52V，具备电流采集、电压采集功能，支持隔离串口、485、CAN-FD以及Sub-GHz无线通讯，MPPT效率99.5%，DC-DC峰值效率99%。

平台方案功能框图

平台方案实测参数表

应用示例

光伏MPPT控制器、便携式储能、阳台储能

光伏PV Hub

组件级光伏功率优化器

电动两轮车/三轮车 DC-DC转换器

关于UM32G421

UM32G421采用ARM Cortex-M4内核，支持浮点运算，支持DSP指令集，性能强大，集成了包括高精度PWM、高精度SAR ADC、三角函数运算协处理器、丰富的外设接口等多种资源，可在-40~125℃稳定工作，能够满足工业控制、汽车电子、新能源等多个领域的应用需求。

•处理器内核：Cortex-M4，最高主频 204MHz

•内置单精度浮点运算单元，支持DSP指令集

•64KB SRAM，256KB eFlash

•最多支持54个GPIO，20/14/6/2mA 四档驱动可配

•37路PWM输出，PWM最高精度1.736ns

•2路低功耗LPUART，4路通用UART，2路USART

•3路I2C，最高速率1Mbps

•支持CAN-FD接口，通信速率最高5Mbps，同时兼容CAN2.0A/B协议

•1个12位DAC，采样率1Msps

•2个12位SAR-ADC，16通道，支持单端和差分输入 , 最高采样率5.25Msps

•3个OPA，3个ACMP

•1个USB接口，支持全速USB FS Device接口(内置 PHY)

•集成Cordic 运算加速器(sin、cos、arctan、平方根、乘法、除法等)

•硬件加解密：AES(128/256)

•工作温度：-40°C ~125°C

关于无线模组URM2680

无线通讯模块URM2680是基于UM2080F32芯片开发的Sub-GHz射频收发模块。采用(G)FSK, OOK调制方式，工作在315/433/868/915MHz ISM频段，支持灵活可设的数据包格式，支持自动应答和自动重发功能，支持跳频操作，支持FEC功能，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性和低功耗等技术特点。

•工作频率：315/433/868/915MHz

•工作电压：1.8V~3.6V

•工作温度：-40°C ~105°C

•调制方式：(G)FSK, OOK

•数据率：0.1k ~ 300 kbps

•发射功率：-20dBm 至 +20dBm

•最高接收灵敏度：-130dBm@0.1Kbps

•通讯距离：1km(理想环境)

关于UM2080F32

无线收发SoC芯片UM2080F32采用32位ARM Cortex-M0+内核，内置64KB 嵌入式FLASH，支持UART、SPI、QSPI、I2C、LPTIMER、WDT等多种接口，集成完整的射频接收机、射频发射机、频率综合器和高效率BUCK DC-DC转换器，只需配备简单、低成本的外围器件就可以获得良好的收发性能。芯片支持(G)FSK,OOK调制方式，最大输出功率为20dBm，支持传输数据率在0.1kbps~300kbps之间，内部各128bytes的TX/RX FIFO。

•频率范围：200MHz~960MHz

•调制方式：(G)FSK, OOK

•数据率：0.1k ~ 300 kbps

•发射功率：-20dBm 至 +20dBm

•最高接收灵敏度：-130dBm@0.1Kbps

•处理器内核：Cortex-M0+，主频32MHz

•16KB SRAM，64KB eFlash

•CAN总线接口：CAN2.0A/B协议，1Mbps

•12位SAR-ADC，1Msps

•内置运算放大器、比较器

•工作温度：-40°C ~105°C

关于双向DC-DC升降压参考开发平台

广芯微在开发双向DC-DC升降压转换平台方案时，基于自研芯片的性能特点，充分考虑平台方案的兼容性，性能优势与可扩展性，产品包含如下几个特点：

1.高效的MPPT效率

常见的MPPT实现算法有Perturb and Observe (P&O) 扰动观察法、Incremental Conductance (INC) 增量电导法、Hill Climbing 爬山法、Fractional Open-Circuit Voltage 分数开路电压法、Fractional Short-Circuit Current 分数短路电流法、Artificial Intelligence (AI) 人工智能方法等，MPPT技术是提高光伏系统效率的关键技术之一，不同的MPPT算法各有优缺点，选择合适的算法需要根据具体的应用场景和系统需求来决定。广芯微开发的MPPT算法能够显著提高太阳能光伏系统的跟踪性能，通过控制光伏电压并直接生成所需的占空比，实现了高收敛速度和零最大功率点波动，同时消除了升压转换器输出的纹波问题。方案平台的实验测试结果表明，该算法在快速变化的太阳辐射条件下跟踪效率高达99.5%以上。

平台方案MPPT实测曲线

2.优异的DC-DC Buck Boost转换效率

DC-DC转换器的峰值效率是指在特定的工作条件下，转换器能够达到的最大效率，这个值是转换器性能的重要指标之一，通常用来评估其在设计和应用中的优化程度。高峰值效率意味着转换器能够在较低的功率损耗下工作，这对于提高系统整体的能源利用率、减少热耗散和延长电池寿命等有着重要意义。广芯微团队严选合适的外围器件、优化PWM控制策略，精心设计PCB布局版图，并结合有效的散热设计以维持元件在最佳工作温度范围，最终实现升降压型电路拓扑结构的DC-DC转化器自半载起Vout48V时的峰值效率近99%。

平台方案实测效率曲线

3.高效能量转换

基于平台方案开发的功率优化器能够恢复发电损失的3%~25%，显著提升光伏系统的能源利用率，实现近99%的峰值效率。该成果的取得，得益于主控芯片UM32G421的卓越性能和成熟算法的深度融合，UM32G421搭载ARM Cortex-M4内核，内置FPU(单精度浮点运算单元)和DSP指令单元，以其高达255DMIPS的CPU运算性能和702分的CoreMark跑分，为该双向DC-DC Buck Boost开发平台提供了强大的计算支持。除此之外，UM32G421的低功耗特性，包括1.5μA @ Standby模式和70μA/MHz @ Run模式，进一步确保了功率优化器在高效运行的同时，保持了能源的节约。

4.灵活的通讯连接方式

该参考平台集成了丰富和灵活的有线和无线通讯方式，包括隔离串口、485、CAN-FD以及Sub-GHz无线通讯。广芯微基于自研UM2080F32无线收发SoC芯片研发的高性能Sub-GHz URM2680无线通信模块，支持200MHz~900 MHz工作频段，具备-130dBm的高灵敏度和20dBm的最大输出功率，这一技术特点使得URM2680模块在远距离通信和强穿透力方面表现出色，尤其适用于需要长距离无线连接和在复杂环境中保持稳定通信的应用场景。无线通讯功能的加入使得整体方案支持单片光伏板发电量实时监控，结合板级的过压、过流、过温保护设计，确保系统的安全稳定运行。在无线信号传输衰减的地方，URM2680还支持有线通信，通过RS485接口将信号通过有线的方式传输到服务器。方案平台创新性地采用有线及无线双模通信方式，配合广芯微自研的Umiclink工业网关，为客户在光伏储能的应用中提供更加灵活、高效的组网解决方案。

5.易扩展性

在广芯微工程师的支持下，该参考平台可以很灵活地调整电压范围及不同功率的设计，后续也将植入锂电池充电管理功能以及增加LCD彩屏显示功能等。

广芯微电子(广州)股份有限公司的600W双向DC-DC升降压光储平台评估套件业已上架，欢迎垂询。

关于广芯微

广芯微电子(广州)股份有限公司聚焦光伏新能源、工业控制和汽车电子产业，为客户提供差异化的微处理器芯片、快充与数字电源SOC和性能卓越的无线射频芯片，并围绕这些芯片打造特色的电机控制方案平台、数字电源方案平台和低功耗无线射频方案平台。