纖巧型雙電池太陽能板給緊湊和離網(wǎng)型設(shè)備中的電池充電

引言
如今，低功率電子技術(shù)的發(fā)展允許將電池供電的傳感器和其他設(shè)備安置在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地方。在理想的情況下，為了真正擺脫電網(wǎng)的束縛，就應(yīng)免除更換電池的需要，而代之以由局部環(huán)境提供的可再生能源 (如太陽能) 對電池進(jìn)行再充電。本設(shè)計要點(diǎn)說明了怎樣構(gòu)建一款依靠小型雙電池太陽能板工作的緊湊型電池充電器。該設(shè)計的獨(dú)特之處在于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器運(yùn)用功率點(diǎn)控制以從太陽能板吸取最大的功率。

最大功率點(diǎn)控制的重要性
雖然太陽能電池或太陽能電池板是按照功率輸出來分類，但電池板的可用功率卻很少是恒定的。其輸出功率在很大程度上取決于光照、溫度以及從電池板吸收的負(fù)載電流。為說明這一點(diǎn)，圖 1 示出了一塊雙電池太陽能板在恒定光照條件下的 V-I 特性曲線。I-V 曲線在短路 (最左側(cè)) 至大約 550mA 負(fù)載電流的范圍內(nèi)具有相對恒定的電流特性，隨之在較低的電流條件下它遵從于恒定電壓特性，并在開路時 (最右側(cè)) 趨近于最大電壓。電池板的功率輸出曲線顯示：功率輸出在大約 750mV/530mA 的地方 (I-V 曲線的拐點(diǎn)處) 出現(xiàn)一個明顯的峰值。如果負(fù)載電流增至超過功率峰值，則功率曲線迅速下降至零 (最左側(cè))。同樣，輕負(fù)載也會使功率趨向于零 (最右側(cè))，不過這往往不太會是一個問題。

圖 1：太陽能電池板的輸出電壓、電流和功率

當(dāng)然，電池板的光照條件會影響可用功率 —— 光照少則功率輸出較低；光照多則功率輸出較高。盡管光照直接影響著峰值功率輸出的大小，但它對于峰值在電壓標(biāo)度上的位置卻沒有那么大的影響。就是說，不管光照如何，出現(xiàn)峰值功率的電池板輸出電壓保持相對恒定。因此，通過適度調(diào)節(jié)輸出電流以使太陽能板的電壓處于或高于該峰值功率電壓 (這里為 750mV) 是明智的。這種做法被稱為最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)。

圖 2 示出了在采用和未采用最大功率點(diǎn)控制的情況下，陽光的變化對于充電電流的影響。模擬陽光的強(qiáng)度從 100% 降至約 20%，而后回升至 100%。請注意，當(dāng)陽光強(qiáng)度下降至 20% 左右時，太陽能板的輸出電壓和電流也下降，但是 LTC®3105 的最大功率點(diǎn)控制則可以防止太陽能板的輸出電壓降至 750mV 的設(shè)定值以下。它通過減小 LTC3105 的輸出充電電流以防止太陽能板電壓驟降至接近 0V 來實(shí)現(xiàn)上述功能，如圖 2 中右側(cè)的曲線圖所示。而在未采用功率點(diǎn)控制時，陽光強(qiáng)度的小幅下降也會完全阻斷充電電流的流動。

圖 2：改變陽光強(qiáng)度會影響充電電流

具輸入功率控制功能的 LTC3105 升壓型轉(zhuǎn)換器
LTC3105 是一款同步升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，主要設(shè)計用于將取自環(huán)境能量源 (例如：低電壓太陽能電池和熱電發(fā)生器) 的功率轉(zhuǎn)換為電池充電功率。LTC3105 采用 MPPC 從能量源輸送最大的可用功率。它通過減小 LTC3105 的輸出電流以防止太陽能板的電壓驟降至接近 0V 來實(shí)現(xiàn)這一功能。LTC3105 能夠在低至 250mV 的輸入電壓條件下啟動，因而使其能夠由單個太陽能電池或者多達(dá) 9 節(jié)或 10 節(jié)串聯(lián)連接的電池來供電。

輸出斷接功能免除了其他太陽能供電型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器常常需要的隔離二極管，并允許輸出電壓高于或低于輸入電壓。在啟動期間 400mA 的開關(guān)電流限值被減小，以便依靠阻抗相對較高的電源來工作，但一旦轉(zhuǎn)換器處于正常運(yùn)作狀態(tài)仍可提供適合眾多低功率太陽能應(yīng)用的足夠功率。另外，LTC3105 還具有一個 6mA 的可調(diào)輸出低壓差線性穩(wěn)壓器、漏極開路電源良好輸出、停機(jī)輸入和突發(fā)模式 (Burst Mode®) 操作能力，以改善低功率應(yīng)用的效率。

太陽能供電型鋰離子電池充電器
圖 3 示出了一款緊湊的太陽能供電型電池充電器，它采用 LTC3105 作為升壓型轉(zhuǎn)換器，而將 LTC4071 用作鋰離子電池并聯(lián)充電器。一塊雙電池 400mW 太陽能板負(fù)責(zé)為 LTC3105 提供輸入功率，以在陽光充足的情況下產(chǎn)生 60mA 以上的充電電流。如圖 1 所示，最大功率點(diǎn)控制可防止太陽能板的電壓降至 750mV 的最大功率點(diǎn)以下。轉(zhuǎn)換器的輸出電壓被設(shè)置為 4.35V，略高于鋰離子電池的 4.2V 浮置電壓。

LTC4071 并聯(lián)充電器將電池兩端的電壓限制為 4.2V。把 FBLDO 引腳接地可將低壓差穩(wěn)壓器設(shè)置為 2.2V，用于給“充電”LED 供電。該 LED 在電池充電時接通，而當(dāng)電池電壓處于浮置電壓的 40mV 以內(nèi)時則關(guān)閉 (以表示電池接近滿充電狀態(tài))。一個 NTC 熱敏電阻用于感測電池溫度，并在環(huán)境溫度很高的情況下降低 LTC4701 的浮置電壓以提高電池的安全性。為避免電池遭受過度放電的損壞，低電池電量斷接功能可在電池電壓下降至低于 2.7V 時將電池與負(fù)載斷接。

圖 3：雙電池太陽能板和鋰離子電池充電器

結(jié)論
雖然本文描述的電路僅可產(chǎn)生幾百 mW 的功率，但它卻能夠在大多數(shù)天氣條件下提供足以使一個 400mAhr 鋰離子電池保持滿充電狀態(tài)的功率。低輸入電壓與輸入功率控制相結(jié)合，使得 LTC3105 成為低功率太陽能應(yīng)用的理想選擇。此外，LTC4071 并聯(lián)充電系統(tǒng)還通過提供精準(zhǔn)浮置電壓、充電狀態(tài)和溫度安全特性而對 LTC3105 給予了補(bǔ)充，可在室外環(huán)境中確保長久的電池使用壽命。