一、市场规模与增长
随着全球对清洁能源的重视以及能源转型的加速,光伏市场规模呈现出快速增长的趋势。据相关数据显示,2024 年全球光伏市场新增装机容量达到了约260GW,同比增长 30% 左右,且预计未来几年仍将保持较高的增长率。中国作为全球最大的光伏市场,其光伏产业在政策支持、技术进步以及市场需求的多重驱动下,发展势头尤为迅猛。2024 年中国光伏新增装机容量超过100GW,占全球市场的重要份额,并且随着分布式光伏、光伏电站等项目的不断推进,对光伏系统的核心部件,如光伏逆变器等产品的需求也在持续攀升,为相关的芯片及解决方案市场带来了广阔的发展空间。
二、市场应用
(1)光伏电站:大型集中式光伏电站通常建设在光照资源丰富的地区,通过大规模的光伏组件阵列将太阳能转化为电能,再经过逆变器并入电网进行传输和分配。航顺HK32F103A 可应用于光伏电站的逆变器控制、最大功率点跟踪(MPPT)等关键环节,确保光伏电站的高效、稳定发电,提高发电效率和电能质量,降低发电成本,增强其在能源市场中的竞争力。
(2)分布式光伏发电系统:分布式光伏发电系统广泛应用于工业厂房、商业建筑、居民住宅等场所的屋顶,实现就近发电、就地消纳,余电上网。在分布式光伏系统中,航顺HK32F103A 可用于微型逆变器、智能光伏控制器等设备,实现对光伏组件的精细化管理和控制,提高系统在不同光照条件下的发电性能,并保障分布式光伏系统与电网的可靠连接和稳定运行,满足用户对清洁能源的自用需求以及余电上网的经济效益。
(3)光伏储能系统:随着光伏产业的发展以及对能源存储的需求增加,光伏储能系统应运而生。在光伏储能系统中,航顺HK32F103A 可用于储能逆变器、电池管理系统(BMS)等核心部件,实现对储能电池的充放电控制、能量管理和安全监测等功能,提高光伏储能系统的效率和可靠性,解决光伏发电的间歇性和不稳定性问题,实现能源的稳定供应和高效利用,为构建更加稳定可靠的能源系统提供支持。
三、方案概述
航顺HK32F103A 是基于 ARM Cortex-M3 内核的高性能、低功耗微控制器,其在光伏解决方案中具有卓越的表现。该芯片主频高达 120MHz,内置 12 位 ADC,具备丰富的外设接口和大容量的存储资源,能够满足光伏系统中复杂的控制和数据处理需求。通过其高性能的计算能力和高精度的信号采集功能,可以实现对光伏系统的精确控制和实时监测,例如在光伏逆变器中,利用其快速的运算能力进行 MPPT 算法控制,实时跟踪光伏组件的最大功率点,提高发电效率;同时,利用其 ADC 功能对电网电压、电流等参数进行实时采样,实现并网控制和电能质量监测等功能,确保光伏系统与电网的稳定连接和高效运行。
关键功能说明:
(1)能量转换链路:
光伏直流电→ DC-DC变换(升压/降压)→ 直流母线 → DC-AC逆变 → 交流并网
(2)控制信号流:
微控制器通过PWM动态调节DC-DC的占空比实现MPPT算法
微控制器生成SPWM波形控制逆变桥实现DC-AC转换和并网同步
(3)监测与交互:
电流/电压传感器实时采集直流母线参数反馈至MCU
人机界面实现运行参数显示和人工控制
通信模块支持远程监控和能量管理
(4)核心特点:
双闭环控制:MCU同时管理MPPT跟踪效率和逆变并网质量
实时保护:通过传感器数据实现过压/欠压/孤岛效应保护
可扩展架构:DC-Link设计允许未来增加储能电池接口
四、方案核心优势
(1)高性能处理能力:120MHz 的主频搭配 Cortex-M3 内核,为处理复杂的光伏控制算法提供了强大的算力支持,能够快速实时地进行 MPPT 计算、并网逆变控制等复杂操作,确保光伏系统始终保持在最佳运行状态,提高发电效率和电能质量。
(2)高精度数据采集与控制:内置的12 位 ADC 具有较高的采样精度和速度,可以精确地采集光伏系统中的各种模拟信号,如光伏组件的电压、电流,以及电网的电压、电流等参数,为系统的精确控制和监测提供准确的数据支持。同时,结合其高精度的定时器和 PWM 模块,能够实现对逆变器等设备的精确控制,提高系统的控制精度和稳定性。
(3)丰富的外设接口与扩展性:拥有多种通信接口,如UART、SPI、I2C 等,以及大容量的 Flash 和 SRAM,方便与其他设备进行通信和数据交互,并能够满足光伏系统中不同功能模块的扩展需求,如接入传感器、通信模块、显示模块等,实现系统的智能化和网络化升级,便于构建更加完善的光伏监控和管理系统。
(4)高可靠性与稳定性:具备多种保护机制,如过压保护、过流保护、短路保护等,能够有效防止系统在运行过程中受到外部异常情况的损坏,提高系统的可靠性和稳定性。此外,其工作温度范围宽,可在较恶劣的环境条件下稳定工作,适应户外光伏系统的复杂环境要求,确保光伏系统在不同气候条件下的长期稳定运行。
(5)成本优势:作为国产芯片,航顺HK32F103A 在价格上具有一定的竞争力,能够降低光伏系统的整体成本,提高产品的性价比。同时,其高性能和高集成度的特点也有助于减少外部元件的使用数量,进一步优化系统设计,降低系统的硬件成本和开发成本,为光伏产业的发展提供更具经济性的解决方案。
产品系统框图
实物图
航顺HK32F103A系列MCU主要规格
ARM® Cortex®-M3 内核
最高时钟频率:120 MHz
24 位 System Tick 定时器
支持CPU Event 信号输入至 MCU 引脚,实现与板级其它 Soc CPU 的联动。
工作电压范围
双电源域:
-主电源 VDD 为 2.0 V ~ 3.6 V
-备份电源 VBAT为 1.8 V ~ 3.6 V
当主电源掉电时,RTC 可继续工作在 VBAT 电源下。
VBAT 电源域提供 84 byte 备份寄存器。
工作温度范围:-40°C ~ +105°C
VDD 典型工作电流
运行(Run)模式:19.3 mA@120MHz@3.3V
睡眠(Sleep)模式:5.6mA@120MHz@3.3V(唤醒时间:1 个机器时钟周期)
停机(Stop)模式
- LDO 低功耗模式:89.4 μA@3.3V(唤醒时间:10µs)
- LDO 全速工作模式:303 μA@3.3V
待机(Standby)模式:3.3 μA@3.3V(唤醒时间:150µs)
VBAT 典型工作电流(VDD掉电)
VBAT RTC 开启模式:2.6 μA@3.3V
VBAT RTC 关闭模式:2.1 μA@3.3V
存储器
最高512 Kbyte 的 Flash 存储器
- 当 CPU 主频不高于 24 MHz 时,支持 0 等待总线周期。
- 具有代码安全保护功能,可分别设置读保护和写保护。
64Kbyte 片内 SRAM
FSMC 模块可外挂 1 Gbyte NOR/PSRAM/NAND/PC Card 存储器(其中,256 Mbyte 的空间可以存放指令,可用于片内 Cache 缓存)
数据安全
CRC32 校验硬件单元
时钟
外部高速时钟(HSE):支持 4 ~ 32 MHz,典型 8 MHz
外部低速时钟(LSE):32.768 kHz
片内高速时钟(HSI):8 MHz/28 MHz/56 MHz 可配置
片内低速时钟(LSI):40 kHz
PLL 输出时钟:120MHz(最大值)
GPIO 外部输入时钟:1 ~ 64 MHz
复位
外部管脚复位
电源复位(POR/PDR)
软件复位
看门狗(IWDG 和 WWDG)复位
低功耗管理复位
可编程电压检测器(PVD)
8 级检测电压门限可调
上升沿和下降沿检测可配置
通用输入输出端口(GPIO)
64 脚封装提供 51 个 GPIO 引脚,100 脚封装提供 80 个 GPIO 引脚
所有GPIO 引脚可配置为外部中断输入
内置可开关的上、下拉电阻
支持开漏(Open-Drain)输出
支持施密特(Schmitt)迟滞输入
输出驱动能力超高、高、中、低四档可选
数据通讯接口
5 路 USART/UART(USART1/2/3,UART4/5)
3 路 SPI(SPI2/3 支持 I2S 协议)
2 路 I2C
1 路 SDIO
1 路 CAN 2.0 A/2.0B
1 路全速 USB2.0
定时器及PWM 发生器
高级定时器:TIM1/TIM8(带死区互补 PWM 输出)
通用定时器:TIM2/TIM3/TIM4/TIM5
基本定时器:TIM6/TIM7(支持 CPU 中断、DMA 请求和 DAC 转换触发)
片内模拟电路
3 个 12 位 1 MSPS ADC(支持最多 16 路外部模拟输入通道同时使用;其中 2 路弱驱动信号输入通道和 1 路 5 V 高压信号输入通道);支持双 ADC 模式,采样率最高 2 MSPS。
2 个 12 位 DAC
1 个温度传感器
1 个 0.8 V 内部参考电压源
1 个 VBAT 电源电阻分压器(分压器输出在片内与 ADC 相连,实现 VBAT电源电压监控)
DMA 控制器
2 个独立 DMA:DMA1 和 DMA2
DMA1 提供 7 路通道
DMA2 提供 5 路通道
支持Timer、ADC、SPI、I2C、USART、UART 等多种外设触发
CPU 调试及跟踪接口
SW-DP 两线调试端口
JTAG 五线调试端口
ARM DWT、FPB、ITM、TPIU 调试追踪模块
单线异步跟踪数据输出接口(TRACESWO)
四线同步跟踪数据输出接口(TRACEDO[3:0]、TRACECKO)
自定义DBGMCU 调试控制器(低功耗模式仿真控制、调试外设时钟控制、调试及跟踪接口分配)
RTC 时钟计数器,配合软件记录年月日时分秒
ID 标识
每颗芯片提供一个唯一的96 位 ID 标识
可靠性
通过HBM2000V/CDM500V/MM200V/LU200mA 等级测试
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