針對脈沖負(fù)載應(yīng)用的太陽能電池板最大功率點(diǎn)追蹤電路

許多太陽能電池板供電型應(yīng)用只需功率脈沖便可運(yùn)行。我們需要頻繁地開啟數(shù)據(jù)收集或者測量采樣系統(tǒng)，執(zhí)行測量或者其他任務(wù)，發(fā)送經(jīng)過處理或者測量的數(shù)據(jù)，然后再回到睡眠模式。在許多情況下，以無線方式發(fā)送這些數(shù)據(jù)消耗掉了大部分輸出功率。如太陽能電池板等小功率電源，通常難以支持系統(tǒng)本身或者數(shù)據(jù)發(fā)送所需的這些功率脈沖。通過讓太陽能電池板工作在最大功率點(diǎn)(MPP)，并且智能地從電池板獲取功率，以實(shí)現(xiàn)對電能的管理，從而順利地驅(qū)動脈沖負(fù)載。本文將為您介紹一種簡單且高成本效益的最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT) 解決方案，以供這類脈沖負(fù)載系統(tǒng)使用。

太陽能電池板特性

在最大功率點(diǎn)工作時，太陽能電池板可提供峰值輸出功率。最大功率點(diǎn)是一個與電池板最高可達(dá)輸出功率相對應(yīng)的電壓和電流。在光照水平不斷變化的情況下，最大功率點(diǎn)追蹤方法對來自太陽能電池板的功率進(jìn)行管理。太陽能電池板的一個特性是，電池板電壓隨電池板輸出電流增加而下降。如果輸出電流過高，則電池板電壓崩潰，并且輸出功率變得非常低。圖1描述了特定太陽能電池板輸出電流及輸出功率與其輸出電壓之間的比較情況。最大功率點(diǎn)已被標(biāo)示出來。圖中，一條水平綠線條表明輸出功率至少為90%最大功率點(diǎn)時的位置。該線條以上，在“點(diǎn)1”和“點(diǎn)2”之間時，電池板輸出功率最大。


圖1:太陽能電池板最大功率點(diǎn)圖

當(dāng)太陽能電池板供電型負(fù)載僅要求功率脈沖并且不需要全時段供電時，讓其工作在90%最大功率點(diǎn)以下的一種簡單方法是，在“點(diǎn)1”開啟負(fù)載，而在“功率點(diǎn)2”關(guān)閉負(fù)載。當(dāng)負(fù)載開啟時，其獲得要求的功率，從而使電池板電壓下降。這樣，工作點(diǎn)便從“點(diǎn)1”開始移動，經(jīng)過最大功率點(diǎn)，最終超過“點(diǎn)2”。在“點(diǎn)2”時，負(fù)載關(guān)閉，電池板電壓再次上升。即使是這種簡單的操作，我們也必須解決3個問題。

首先，相比電池板輸出，負(fù)載可能會要求不同的電壓。因此，我們需要使用一種高效的電源，以將不穩(wěn)定且相對較高的電池板電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載可用的恒定電壓。

其次，我們需要測量電池板電壓，并且根據(jù)該電壓來關(guān)閉或者開啟電源。大多數(shù)電源都利用一個數(shù)字輸入來實(shí)現(xiàn)開啟或者關(guān)閉功能。這種輸入有一個大概的閾值，以區(qū)分邏輯低電平和邏輯高電平。使用這種非精確閾值時，電池板電壓便無法直接到達(dá)開啟狀態(tài)的輸入端。因此，我們需要使用一種具有精確閾值的外部電路。我們可以使用電源電壓監(jiān)測器，但添加器件會帶來成本和復(fù)雜度的增加。

最后，必須讓快速變化的電池板電壓慢下來，以便獲得充足的工作時間，完成規(guī)定的任務(wù)。電池板電壓從“點(diǎn)1”變到“點(diǎn)2“幾乎無需時間——理論上為零秒。這時，當(dāng)電壓從“點(diǎn)1”變到“點(diǎn)2”時，必須開啟負(fù)載電源，而負(fù)載必須完成其任務(wù)。這就要求電源擁有非?？焖俚拈_啟能力，并且能夠長時間保持電池板電壓，以便完成需要執(zhí)行的任務(wù)。

最大功率點(diǎn)追蹤解決方案

我們很難找到一款單器件、低成本的解決方案。它需要使用寬電壓范圍的功率受限型太陽能電池板輸入，同時還要能夠高效地提供穩(wěn)定的輸出電壓、快速的啟動，并且能夠在90% 最大功率點(diǎn)以下工作。TI TPS62125就是一個這類器件，它可以接受高達(dá)17V的輸入電壓，擁有90%以上的工作效率，啟動時間小于1 ms，并且擁有一個使用精確閾值的開啟輸入引腳，其可以直接連接至太陽能電池板電壓，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤。這樣，便無需添加額外器件來實(shí)現(xiàn)這種功能。圖2顯示了一套完整的解決方案。


圖2:脈沖負(fù)載的最大功率點(diǎn)追蹤電路

由R1和R2組成的分壓器，用于在圖1所示“點(diǎn)1”時開啟電源。在電源開啟以前，該器件本身會把R2和R3之間的這個節(jié)點(diǎn)一直保持在地電位。電源開啟以后，器件釋放該節(jié)點(diǎn)，R3便為分壓器的組成部分。當(dāng)太陽能電池板電壓降至“點(diǎn)2”時，器件關(guān)閉節(jié)點(diǎn)，并再次保持R2和R3之間節(jié)點(diǎn)的低電壓。這時，電池板電壓再次開始上升，直到其達(dá)到開啟閾值為止。這樣便實(shí)現(xiàn)一種完全可編程的開啟和關(guān)閉電壓，其可用于任何太陽能電池板。

大容量輸入電容C3存儲來自太陽能電池板的能量，以在規(guī)定時間為負(fù)載提供功率，并且為電源啟動供電。電池板向電源或者C3提供與其電壓相對應(yīng)的電流。當(dāng)電源處于關(guān)閉狀態(tài)時，太陽能電池板向電容提供電流。當(dāng)電源開啟時，電容和太陽能電池板為負(fù)載提供所需電流。由于C3只是存儲能量，然后在相對較長的一段時間內(nèi)釋放存儲的能量，就此而言C3不失為一款低成本的電解質(zhì)電容。
所需大容量輸入電容計(jì)算方法

最大功率點(diǎn)追蹤電路設(shè)計(jì)的第一步是，確定負(fù)載的功率需求，然后根據(jù)功率要求和所選用的太陽能電池板，計(jì)算出所需大容量輸入電容的大小。例如，假設(shè)一個遙感電路要求 250mA電流下電壓為3.3V（825 mW），且供電時間為15 ms。對于包含有測量器件、微處理器和RF發(fā)射器的系統(tǒng)而言，這是一種基本需求。

在確定負(fù)載的功率需求以后，我們需要計(jì)算出C3的要求值。首先，為負(fù)載供電所需的輸入電流可以通過方程式1計(jì)算得到：



VIN為圖1所示“點(diǎn)1”和“點(diǎn)2”之間的平均太陽能電池板電壓，而η為給定輸出功率的電源效率。請注意，VIN約為7.8V且輸出功率為825mW時，電源效率一般為87%左右。利用這些數(shù)值，可以計(jì)算得到IIN=122mA，遠(yuǎn)大于圖1所示太陽能電池板的輸出能力，因此C3必須存儲足夠的能量，以提供缺少的那部分電流，并且持續(xù)時間為15 ms。方程式2根據(jù)負(fù)載要求和太陽能電池板特性，計(jì)算出要求的C3值：



VP1和VP2為“點(diǎn)1”和“點(diǎn)2”之間的電壓，使用這種太陽能電池板時，它們分別約為9V和6.5V，其與放電時C3的電壓變化相對應(yīng)。tON時的要求負(fù)載工作時間為15ms。最后，Ipanel(Avg)為電池板工作在其90%最大功率點(diǎn)以下時，太陽能電池板所提供的平均電流。如圖1所示，該電流約為19mA。

由方程式2，我們可以知道C3應(yīng)大于618μF。使用680-μF電容，可以在器件工作時提供一定的裕量。

開啟引腳分壓器計(jì)算

R1、R2和R3共同形成了一個具有開啟(EN)引腳磁滯的完全可配置分壓器。方程式3和4用于設(shè)置電阻器值：




我們首先選擇R1，而1 MΩ是一個較為合適的起始值。這樣，通過計(jì)算，可以得到R2為153.8 kΩ。我們選擇最接近標(biāo)準(zhǔn)值154 kΩ。R3 應(yīng)為60.9 kΩ，而60.4 kΩ是最接近標(biāo)準(zhǔn)值。


其他最大功率點(diǎn)追蹤電路配置

可使典型應(yīng)用受益的另一種可配置特性是，利用電源良好(PG)輸出來控制負(fù)載的開啟(EN) 輸入。當(dāng)電源關(guān)閉時，PG引腳保持低電平。僅當(dāng)電源開啟且輸出電壓在調(diào)節(jié)狀態(tài)下時，上拉電阻器R6將其拉高。把PG輸出直接連接至負(fù)載EN輸入，可使負(fù)載保持關(guān)閉，直到輸入電壓升至VP1以上且輸出電壓高到足以正常驅(qū)動負(fù)載為此。由于輸入電壓降至VP2時電源關(guān)閉，因此PG引腳被有源拉低，從而又讓負(fù)載關(guān)閉。這種配置，可以保證僅在其電源電壓處于調(diào)節(jié)狀態(tài)下時才開啟負(fù)載，從而避免出現(xiàn)可能會破壞負(fù)載性能或者數(shù)據(jù)的低電源電壓。

測試結(jié)果

圖3顯示了運(yùn)行中的最大功率點(diǎn)追蹤電路。電池板電壓VIN保持在9V和6.5V（分別為VP1和VP2）之間。一旦VOUT進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)，負(fù)載開啟，并且獲取250mA電流。當(dāng)電池板電壓降至6.5V時，VOUT關(guān)閉，并從而關(guān)閉負(fù)載電流。太陽能電池板始終提供19mA的平均電流。圖3中，負(fù)載擁有約18ms的運(yùn)行時間，可以滿足15ms要求。該運(yùn)行時間并未與上述計(jì)算結(jié)果完全一致，而C3值有所增加，超出了計(jì)算結(jié)果。


圖3：90%最大功率點(diǎn)以下工作的最大功率點(diǎn)追蹤電路

圖4用來自C3的電流ICap的軌跡線，代替圖3所示輸出電壓軌跡線。VIN下降時，來自電容的電流為正—電容向電源提供其存儲能量，之后負(fù)載獲得該能量。一旦負(fù)載關(guān)閉，由于電池板電壓降至6.5V，并且電源關(guān)閉，C3提供的電流變?yōu)樨?fù)—電容通過電池板再充電，為下一個周期存儲能量。電池板電壓足夠高的情況下，當(dāng)電源開啟時，來自C3的電流在負(fù)載開啟以前出現(xiàn)短暫尖峰。啟動期間，需要C3提供更多的輸入電流。


圖4：90%最大功率點(diǎn)以下工作的電路的大容量輸入電容 (C3)

結(jié)論

本文論述了一款簡單且低成本的太陽能電池板最大功率點(diǎn)追蹤電路，其適用于脈沖負(fù)載系統(tǒng)，例如：通過RF發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)的遙測系統(tǒng)。另外，我們還可以對這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)配置，用于任何太陽能電池板和脈沖負(fù)載系統(tǒng)。