實現(xiàn)太陽能組件電壓變化的供電網(wǎng)絡電路設計

隨著無線技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡技術(shù)越來越多投入到實際應用中， 無線傳感器網(wǎng)絡一般分布范圍較廣，架設供電線路，投資大，維護成本高。 如采取干電池方式供電，則每個節(jié)點的電源供電能力有限，對每個節(jié)點更換電池不僅費時、費力，增加成本，而且影響工作效率。 能否穩(wěn)定持續(xù)的供電，成為制約油田無線示功儀及其無線網(wǎng)絡發(fā)展的一個重要因素，太陽能技術(shù)的發(fā)展使供電方式產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展，已經(jīng)成為油田無線示功儀及其中繼網(wǎng)絡節(jié)點供電方式的發(fā)展方向。 本文擬對油田監(jiān)測示功儀及中繼網(wǎng)絡節(jié)點設計一種智能化、免維護型的太陽能充電電路，為無線網(wǎng)絡節(jié)點供電。 該設計電路具有以下特點： ①基于開關(guān)電源技術(shù)設計的充電網(wǎng)絡具有自動調(diào)節(jié)占空比的功能， 具有很寬的輸入電壓范圍。 ②采用線性電源管理芯片，用先預充2恒流2恒壓的充電方式完成整個充電過程。 ③采用低噪聲、高速度的CMOS 型電壓調(diào)節(jié)器，具有高精度的恒壓、恒流輸出。 ④充電過壓保護、鋰電池過放電保護功能，使鋰電池充、放電安全可靠。 ⑤自動跟蹤太陽的功能，太陽能采集板始終保持對準太陽，充分利用太陽能。

1 系統(tǒng)設計

現(xiàn)有的光伏電池，單體的輸出電壓都很低（在1V 以下） ，本設計中，將多個光伏電池相串聯(lián)，組成太陽能組件。 通過可以自動調(diào)節(jié)占空比的供電網(wǎng)絡保證在光照強度變化和負載變化時，輸出電壓基本穩(wěn)定，為充電管理芯片提供穩(wěn)定的電壓輸入。 通過對供電網(wǎng)絡的副邊電壓監(jiān)測，保護充電管理芯片不因電壓過高而損壞。 通過對電池兩端的電壓監(jiān)測，保證鋰電池不會因過放電而損壞。 由于無線示功儀及其中繼網(wǎng)絡節(jié)點的供電要求是313V，采用低噪聲、高速度的CMOS型電壓調(diào)節(jié)器。 在自動跟蹤控制器作用下，始終保持全天候跟蹤太陽。 為了防止因連續(xù)陰雨天而導致的太陽能供電不足，設計應急充電電路，充電期間，無線示功儀及其節(jié)點正常運行。 具體系統(tǒng)設計模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計示意圖2 硬件電路設計

2.1 太陽能組件及充電電路設計

本文設計中采用16個光伏電池串聯(lián)，組成電壓約為1218V 的太陽能組件，通過采集較高多的光能，保證日照能夠使鋰電池完全充滿電。 供電網(wǎng)絡設計電路采用正激式拓撲結(jié)構(gòu)［ 1 ］ 。 具體電路如圖2所示。

圖2 智能型太陽能充電電路設計主電路

太陽能組件產(chǎn)生的電能，一路經(jīng)過開關(guān)變壓器T1 的122繞組加至開關(guān)管Q1 的集電極（ c） ，另一路經(jīng)過R1 為Q1 提供基極電壓。 當基極（ b）的電壓為高電平時， Q1 開始導通，變壓器T1 的122繞組中產(chǎn)生1正2 負的電動勢，經(jīng)T1 耦合，在T1 的324繞組中產(chǎn)生3正4負的感應電動勢，此電動勢經(jīng)R5 ， C2 疊加到Q1的基極（ b） ，使Q1 迅速飽和導通。 由于變壓器T1 的122間的電流不能突變，在此過程中會產(chǎn)生1負2正的電動勢。 變壓器T1 的324繞組中感應出3負4正的電動勢，通過R5 ， C2 ，使Q1 迅速進入截止狀態(tài)。 經(jīng)R1 對C2 的不斷充電， Q1 又開始導通，進入下一輪的開關(guān)振蕩狀態(tài)。 在導通期間， T1 變壓器的副邊繞組526，經(jīng)整流二極管D4 向外輸送能量。

穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓管D0、三極管Q2 等元件組成。 當負載減輕或太陽能組件輸出電壓升高時， A 點電壓上升。 當該電壓大于511V 時， D0 擊穿， Q2 因b2e結(jié)正向偏置而迅速導通，使Q1 提前截止，從而使輸出電壓趨于下降；反之，則控制過程相反，從而使變壓器T1 副邊輸出電壓基本穩(wěn)定。 當負載過重時， Q1 的c2e電流增大， R4 上的壓降也隨之增大。 當該電壓大于017V 時， Q2 導通， Q1 截止，達到過流保護的目的。 為避免截止期間變壓器T1 的122 繞組感應出的尖峰脈沖擊穿開關(guān)管Q1 ，并聯(lián)了尖峰脈沖吸收電路。2.2 過電壓保護控制

過電壓保護控制，具體電路如圖3所示：整流二極管D4 接過電壓保護繼電器JDQ1輸出。 充電控制管理芯片MCP73831最大輸入電壓為6V. 雖然供電網(wǎng)絡基本輸出電壓為5V，但當光照強度發(fā)生劇烈變化或負載變化較大時，輸出電壓仍然會有一定波動，為保護MCP73831不因短時的電壓波動而損壞，設計了過電壓保護控制器。 當W1 的電壓超過6V， JDQ 1會斷開輸出電路，MCP73831因斷電而得到保護。 具體分析如下：此部分電路設計主要采用了LM 2903電壓比較器和外圍電路擴展而成。 LM 2903包含兩路比較器，1， 2， 3腳為一路， 1腳為OU TPU TA， 2， 3腳為IN PU TA. 5， 6， 7腳為另一路， 7腳為OU TPU TB， 5， 6腳為IN PU TB. 其中過電壓保護控制器用5， 6， 7腳的比較器。電阻R11 ， R13分壓后接至比較器的5腳。 當電壓大于6V 即分壓值大于214V. 比較器的7腳輸出電平由低轉(zhuǎn)為高。 Q3 飽和導通，則Q5 截止，安全工作指示燈熄滅，接點J1為高電平，此時JDQ 1開始工作，供電電路與后續(xù)電路斷開，同時過電壓紅色警示燈亮起。

圖3 過電壓與過放電保護控制電路

2.3 過放電保護控制