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一種太陽能電池板電池充電器設(shè)計全過程

作者: 時間:2011-11-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  “你不記得去年天氣有多熱嗎?”Dev 提醒我?!拔覀冃枰恍┦刮覀儧鏊臇|西。噴霧系統(tǒng)會讓我們感到?jīng)隹臁娝梢允箿囟冉档?10 度!”Doug 突然大聲說道。這就是我們?yōu)闇?zhǔn)備參加 2009 年 Burning Man 活動而碰頭兒時開始的一幕。我和 3 個朋友有了 2008 年令人驚喜的體驗,決定再次到那個嚴(yán)酷的沙漠環(huán)境走一遭。我們誓言要把生活條件弄得比上次好,因此早早開始籌劃,以確保我們在黑巖城沙漠能舒服一些,這片沙漠在美國內(nèi)華達(dá)州里諾市北 100 英里的地方。

  我們渴望舒服一點的條件是,一個基于水霧系統(tǒng)而讓人涼快的解決方案,以克服困擾這片沙漠的干熱空氣。這可以用一臺由電壓源供電、連著一個帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實現(xiàn)。噴霧系統(tǒng)的成功要素是電源,這個電源也可以用來給 LED 燈供電,以供夜間照明,或者給其它需要電源的外部設(shè)備充電。我們的計劃是,用太陽能電池板給一個海上用的深周期電池充電,然后用這塊電池給其它所有東西供電。隨即,我開始了。

  我有 3 周時間完成。我向朋友 Simon 請求幫助,Simon 以前用凌力爾特公司的 IC 搞過太陽能供電。除了一臺顯示工作原理的樣機(jī),Simon 還給了我一份原理圖,這臺樣機(jī)從未連上測試過,但在實驗室做過仿真。我很興奮,有興趣用真實的測試這個設(shè)計,我們準(zhǔn)備對樣機(jī)進(jìn)行像樣的測試。

  一位朋友借給我兩塊 BP 太陽能電池板 (BP380U)。在大約 20V 最高輸出電壓和 4A 最大輸出電流時,每塊電池板的峰值功率都是 80W (實際規(guī)格為,在 80W 最大功率時,電壓為 17.6V,電流為 4.55A)。把這兩塊太陽能電池板合起來,我希望在太陽光直接直射在電池板上時,在峰值條件下能有 8A 的總電流。太陽能電池板連接到 Simon 的樣機(jī)上沒有幾分鐘,系統(tǒng)就充分運轉(zhuǎn)了 (圖 1 和圖 2)。通過對樣機(jī)的初步測試,查明了幾個故障,后來這給我們節(jié)省了大量時間。

一種太陽能電池板電池充電器設(shè)計全過程

圖 1:測試 BP 太陽能電池板, BP380U (0 至 20V 輸出,4A 峰值功率 80W)

一種太陽能電池板電池充電器設(shè)計全過程

圖 2:最初的太陽能充電電路樣機(jī),采用 12V 海上用深周期電池

  樣機(jī)運行良好,因此我購買了幾塊凌力爾特公司的演示板,并稍作修改以使其更適合重新設(shè)計過的系統(tǒng)規(guī)格要求。我保持樣機(jī)作為備份和參考,同時我設(shè)計了一個新系統(tǒng)。我們解決了一些故障后,通過這些修改改善了原來的樣機(jī)??傊軜?gòu)設(shè)計仍然是相同的:用 0 至 20V 的太陽能電池板,以 4A 的恒定電流給一個 12V 的電池充電。

  太陽能系統(tǒng)設(shè)計

  用這些演示板忙活幾天之后,我成功地完成了一個產(chǎn)生預(yù)期效果的設(shè)計,這設(shè)計將適合我們這次旅程。系統(tǒng)的方框圖如圖 3 所示,該圖顯示了一些 IC 和演示板功能。系統(tǒng)的照片如圖 4 所示,顯示了完整的太陽能電池板單元。

一種太陽能電池板電池充電器設(shè)計全過程

圖 3:系統(tǒng)設(shè)計方框圖

一種太陽能電池板電池充電器設(shè)計全過程

圖 4:最終的太陽能充電器電路

  視太陽的位置不同而不同,太陽能電池板最初的輸出電壓在 0V 到 20V 之間變化,那么就用一個能接受這么寬輸出范圍的穩(wěn)壓器,并保持吸取低的電流 (每個電池板上的輸入電流最大值都是 4A),同時調(diào)節(jié)一個固定的輸出電壓。這是在 DC1198A-B 演示板上用凌力爾特公司的微型模塊 (μModule) DC/DC 降壓-升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器 LTM4607 實現(xiàn)的。

  LTM4607 是一個小型 LGA 封裝 (15mm x 15mm x 2.8mm) 的芯片,其中包括一個復(fù)雜的降壓-升壓型 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器所需的所有支持控制組件。復(fù)雜的開關(guān)控制電路和 FET 內(nèi)置到微型模塊穩(wěn)壓器中,從而使該器件非常容易使用。結(jié)果是僅需一個微型模塊穩(wěn)壓器、電感器以及幾個電容器和電阻器就完成簡潔規(guī)則的布局。4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍至固定 20V 輸出 (范圍為 0.8V 至 24V) 對于太陽能電池板的特性 (0 至 20V 輸出) 正合適,而且該器件能加載高達(dá) 5A 的升壓模式和 10A 的降壓模式。在太陽能電池板峰值功率時,20V 輸入至 20V/2.5A 輸出的效率是 91%,而且積極利用了降壓-升壓型寬范圍輸入的好處。就這個系統(tǒng)設(shè)計的目的而言,輸出調(diào)節(jié)到 20V,用這個輸出給 LTC1435/LT1620 高效率、低壓差電池充電器系統(tǒng)供電。

  在 14V 穩(wěn)定電壓時,LTC1435/LT1620 演示板 (DC133A) 將充電電流控制到穩(wěn)定的 4A.該演示板與 LT1620 數(shù)據(jù)表第一頁上的應(yīng)用電路類似,我將 FB 電阻器 (110k) 換成一個可變電位器,以實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié),并將電池浮置電壓設(shè)置到 14V.該演示板設(shè)計利用 LT1620 軌至軌電流檢測放大器,結(jié)合 LTC1435 開關(guān)穩(wěn)壓器電路的高效率和低壓差能力,形成了一個效率超過 95% 的電池充電器,從而在 4A 充電電流時僅需要 0.5V 輸入至輸出電壓差。一個到地的編程電流設(shè)置電池充電電流 (4A),該電池充電電流一直是穩(wěn)定的,直到電池電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的浮置電壓 (在本文情況下為 14V) 為止。隨著電池達(dá)到其滿充電狀態(tài),電路的編程將自動轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài),并就電池的輸出電壓而言緩慢降低充電電流。這減輕了由于恒定過沖電給電池造成的壓力。

  一個理想二極管電路設(shè)計與 DC133A 充電系統(tǒng)的輸出串聯(lián),利用 LTC4414 實現(xiàn)電路保護(hù),并允許在充電電路以最小損耗運行的同時使用電池。這種自動電源通路 (PowerPath?) 控制使外部設(shè)備能夠自由地用太陽能電池板或電池供電。當(dāng)太陽能電池板功率不足時,電路自動轉(zhuǎn)為從電池吸取功率。該電路設(shè)計與 LTC4414 數(shù)據(jù)表第九頁上的圖 2 類似。LTC4414 (8 引線 MSOP 封裝) 控制一個外部 P 溝道 MOSFET,以產(chǎn)生接近理想的二極管功能,用于電源切換。這允許多個電源高效率進(jìn)行"或" 操作;在本文情況下,電源是太陽能電池板和電池。當(dāng)連接一個外部設(shè)備時,電池和充電系統(tǒng)接受負(fù)載狀態(tài)。在無負(fù)載時,將對電池充電。因此該設(shè)計允許一起使用太陽能電池板和電池供電,同時運行電池充電過程。這一部分沒有演示板可用,因此我按照定制電路板上的應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計。

  電流檢測系統(tǒng)與電池串聯(lián),利用并聯(lián)檢測電阻器測量電池的輸入充電電流和輸出放電電流,而無需斷開電路。圖 3 的方框圖僅說明了輸入充電電流。LTC6103 (采用 8 引線 MSOP 封裝,在 4V 至 60V 范圍內(nèi)工作) 是一個雙路獨立電流檢測放大器,可通過外部檢測電阻器監(jiān)視電流。該器件以 mV 為單位測量和提供電池充電和放電電流的電流比率輸出。在本文情況下,它幫助指示電池充和放了多少電量。這是一種以低功率損耗讀取電流的方法,這對保持一個高能效系統(tǒng)至關(guān)重要。我略微調(diào)節(jié)了 LTC6103 (DC1116A) 演示板以實現(xiàn)這一點。引腳 8 和 7 分別與進(jìn)入電池的電流通路 +IN_A 和 -IN_A 串聯(lián)。這將提供進(jìn)入電池的充電電流。引腳 6 和 5 相互掉換后反著連接,以測量電池放電電流通路,+IN_B (引腳 5) 連接到 -IN_A (引腳 7),-IN_B (引腳 6) 連接到 +IN_A (引腳 8)。電阻器的值以 10 為倍數(shù)改變和調(diào)節(jié),以便在 0.1Ω 并聯(lián)檢測電阻器與電路串聯(lián)時,輸出以 100mV/A 變化。圖 5 中的萬用表顯示整個系統(tǒng)的結(jié)果。太陽能電池板輸出電壓是 17.11V,電池電壓為 12.95V,充電電流是 3.58A.

一種太陽能電池板電池充電器設(shè)計全過程

圖 5:萬用表顯示 17.11V 太


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