光伏發(fā)電的嵌入式系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

3．1 充電控制模塊
TI公司的UC3906芯片是專(zhuān)門(mén)針對(duì)鉛酸電池充電設(shè)計(jì)的，內(nèi)部的邏輯電路提供多種充電狀態(tài)，并對(duì)溫度進(jìn)行了精確的跟蹤補(bǔ)償，可以發(fā)揮電池的最大容量，延長(zhǎng)電池的使用壽命。
利用18V／2W的太陽(yáng)能電池板對(duì)12V／1Ah鉛酸電池進(jìn)行充電，輸入電壓Uin=18 V，過(guò)充電壓Uoc=15 V，浮充電壓UF=14．5 V，過(guò)充轉(zhuǎn)換電壓為14．25 V，浮充轉(zhuǎn)換電壓為11．7 V，最大充電電流Imax=0．5 A，過(guò)充終止電流50 mA。由于充電電路始終接在電池上，為了防止蓄電池電流倒流入太陽(yáng)能電池板造成其損壞，在晶體管與輸出電路之間接入二極管1N4001，晶體管TIP42C本身則起到穩(wěn)壓降壓的作用。發(fā)射極接電池電壓12 V，集電極接太陽(yáng)能電池板電壓18 V，在晶體管上形成了約6 V的壓差，因此晶體管的耗散功率要求大于500 mA×6 V=3 W。而UC39 06芯片的16腳則控制晶體管的基極電壓，根據(jù)反饋回路所提供的反饋信號(hào)控制晶體管截?cái)嗷驅(qū)?。充電控制模塊電路如圖3所示。

設(shè)定UC3906芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓在溫度為25℃時(shí)Uref=2．3 V，內(nèi)部分流值ID=50μA。則可確定R3=Uref／ID=47 kΩ，R1+R2=(UF-2．3V)／ID=90．7kΩ，R4=2．3V×90．7kΩ／(Uoc-UF)=348 kΩ。又設(shè)Rx=R3與R4的并聯(lián)阻值，則Ra=(R1+R2+Rx)(1-2．3V／UT)=68．1kΩ，Rb=22．6 kΩ(UT為涓流充電到大電流充電的臨界導(dǎo)通電壓，UT=13．95 V，微小電流It取150 mA)。限流電阻Rs=0．25 V／Imax=0．5Ω，Rt=(18 V-UT-2．5 V)／It=10 Ω。
鉛酸電池充電分為4個(gè)階段：涓流充電、大電流充電、過(guò)充電、浮動(dòng)充電。剛開(kāi)始充電時(shí)，UC3906芯片的11腳通過(guò)一個(gè)電阻RT輸出一個(gè)微小電流It=150 mA，此時(shí)晶體管基極電平使晶體管斷路，11腳的微小電流It對(duì)鉛酸電池進(jìn)行涓流充電，這樣可以避免在涓流充電階段鉛酸電池反接造成回路短路。
當(dāng)充電器輸出電壓上升至UT，或浮充電壓下降到11．7 V時(shí)，則進(jìn)入大電流充電狀態(tài)。大電流Imax由外部PNP晶體管導(dǎo)通輸出至電池，蓄電池主要的電量亦在此階段回充。在正常情況下，隨著電池充電，電池兩端的電壓逐漸升高，電壓經(jīng)R1、R2、R3分壓后加到電壓取樣比較器反向輸入端13腳。電壓達(dá)到0．95Uref時(shí)，電壓取樣比較器在14腳，15腳輸出低電平，由于內(nèi)部分流值電流的存在，15腳通過(guò)一個(gè)限流電阻Rd接地，14腳通過(guò)旁路電容C1=0．1μF接地。此時(shí)充電進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)，過(guò)充電指示端腳9輸出低電平。剛進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，太陽(yáng)能充電輸出端繼續(xù)輸出最大電流，當(dāng)電池電壓升高到Uoc時(shí)，電壓放大器控制驅(qū)動(dòng)級(jí)，充電器進(jìn)行恒壓充電，電壓穩(wěn)定在Uoc，此時(shí)UC3906的13腳電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓Uref。此后，電池接受的充電電流開(kāi)始減小。
當(dāng)充電電流下降到過(guò)充電終止電流Ioct時(shí)，電流取樣比較器的輸出中斷。UC3906內(nèi)部的10μA提升電流使過(guò)充終止端(8腳)的電位升高進(jìn)入過(guò)充電狀態(tài)。當(dāng)干擾或其他原因使充電電流瞬時(shí)下降時(shí)，為避免充電器過(guò)早地轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，在UC3906的第8腳與地之間接入1只電容器。當(dāng)8腳電壓上升到規(guī)定的門(mén)限值(1 V)后，充電狀態(tài)邏輯電路使充電器轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。此時(shí)，狀態(tài)電平輸出關(guān)斷，消除了R4對(duì)R1、R2和R3分壓器的旁路作用。電壓放大器控制驅(qū)動(dòng)晶體管，使充電器輸出電壓保持在VF。
充電電壓由Uoc下降，并維持在UF，電池充電程序近乎完成時(shí)，充電進(jìn)入浮動(dòng)充電狀態(tài)。當(dāng)電池接上負(fù)載而放電后，充電器將直接提供電源輸出，而電池電壓也勢(shì)必下降。當(dāng)電壓下降至0．9UF時(shí)，則充電模式重新設(shè)定回涓流充電階段，重新執(zhí)行新的充電循環(huán)程序。浮動(dòng)充電程序?qū)τ谘娱L(zhǎng)蓄電池的壽命是非常關(guān)鍵的，當(dāng)蓄電池充電完成后，若移除充電電壓，則蓄電池又會(huì)立即自行放電，因此必須對(duì)電池施加一個(gè)適當(dāng)電壓以及微小的電流以避免電池放電，浮動(dòng)充電狀態(tài)又可稱(chēng)為待機(jī)充電狀態(tài)(standbycharge)。
從整個(gè)充電過(guò)程來(lái)看，UC3906充電芯片利用其自身的邏輯電平控制將充電過(guò)程分為4個(gè)階段，既使得充電過(guò)程保持較高的效率，又對(duì)太陽(yáng)能電池板和鉛酸電池起到了很好的保護(hù)作用。