一種太陽(yáng)能電池板電池充電器設(shè)計(jì)全過(guò)程

　　“你不記得去年天氣有多熱嗎？”Dev 提醒我。“我們需要一些使我們涼爽的東西。噴霧系統(tǒng)會(huì)讓我們感到?jīng)隹臁娝梢允箿囟冉档?10 度！”Doug 突然大聲說(shuō)道。這就是我們?yōu)闇?zhǔn)備參加 2009 年 Burning Man 活動(dòng)而碰頭兒時(shí)開(kāi)始的一幕。我和 3 個(gè)朋友有了 2008 年令人驚喜的體驗(yàn)，決定再次到那個(gè)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(kāi)始籌劃，以確保我們?cè)诤趲r城沙漠能舒服一些，這片沙漠在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州里諾市北 100 英里的地方。

　　我們渴望舒服一點(diǎn)的條件是，一個(gè)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(tái)由電壓源供電、連著一個(gè)帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實(shí)現(xiàn)。噴霧系統(tǒng)的成功要素是電源，這個(gè)電源也可以用來(lái)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(jì)劃是，用太陽(yáng)能電池板給一個(gè)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(kāi)始了太陽(yáng)能電池板電池充電器的設(shè)計(jì)。

　　我有 3 周時(shí)間完成設(shè)計(jì)。我向朋友 Simon 請(qǐng)求幫助，Simon 以前用凌力爾特公司的 IC 搞過(guò)太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)。除了一臺(tái)顯示工作原理的樣機(jī)，Simon 還給了我一份原理圖，這臺(tái)樣機(jī)從未連上太陽(yáng)能電池板測(cè)試過(guò)，但在實(shí)驗(yàn)室做過(guò)仿真。我很興奮，有興趣用真實(shí)的太陽(yáng)能電池板測(cè)試這個(gè)設(shè)計(jì)，我們準(zhǔn)備對(duì)樣機(jī)進(jìn)行像樣的測(cè)試。

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

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

圖 2:最初的太陽(yáng)能充電電路樣機(jī)，采用 12V 海上用深周期電池

　　樣機(jī)運(yùn)行良好，因此我購(gòu)買(mǎi)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(jì)過(guò)的系統(tǒng)規(guī)格要求。我保持樣機(jī)作為備份和參考，同時(shí)我設(shè)計(jì)了一個(gè)新系統(tǒng)。我們解決了一些故障后，通過(guò)這些修改改善了原來(lái)的樣機(jī)?？傊軜?gòu)設(shè)計(jì)仍然是相同的：用 0 至 20V 的太陽(yáng)能電池板，以 4A 的恒定電流給一個(gè) 12V 的電池充電。

　　太陽(yáng)能電池充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　用這些演示板忙活幾天之后，我成功地完成了一個(gè)產(chǎn)生預(yù)期效果的設(shè)計(jì)，這設(shè)計(jì)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(yáng)能電池板電池充電器單元。

圖 3:系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖

圖 4:最終的太陽(yáng)能充電器電路

　　視太陽(yáng)的位置不同而不同，太陽(yáng)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(gè)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(gè)電池板上的輸入電流最大值都是 4A），同時(shí)調(diào)節(jié)一個(gè)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器 LTM4607 實(shí)現(xiàn)的。

　　LTM4607 是一個(gè)小型 LGA 封裝 （15mm x 15mm x 2.8mm） 的芯片，其中包括一個(gè)復(fù)雜的降壓-升壓型 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器所需的所有支持控制組件。復(fù)雜的開(kāi)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(gè)微型模塊穩(wěn)壓器、電感器以及幾個(gè)電容器和電阻器就完成簡(jiǎn)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(duì)于太陽(yáng)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(yáng)能電池板峰值功率時(shí)，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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的而言，輸出調(diào)節(jié)到 20V,用這個(gè)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(shí)，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(yè)上的應(yīng)用電路類似，我將 FB 電阻器 （110k） 換成一個(gè)可變電位器，以實(shí)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(jì)利用 LT1620 軌至軌電流檢測(cè)放大器，結(jié)合 LTC1435 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路的高效率和低壓差能力，形成了一個(gè)效率超過(guò) 95% 的電池充電器，從而在 4A 充電電流時(shí)僅需要 0.5V 輸入至輸出電壓差。一個(gè)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(dòng)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(guò)沖電給電池造成的壓力。

　　一個(gè)理想二極管電路設(shè)計(jì)與 DC133A 充電系統(tǒng)的輸出串聯(lián)，利用 LTC4414 實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，并允許在充電電路以最小損耗運(yùn)行的同時(shí)使用電池。這種自動(dòng)電源通路 （PowerPath?） 控制使外部設(shè)備能夠自由地用太陽(yáng)能電池板或電池供電。當(dāng)太陽(yáng)能電池板功率不足時(shí)，電路自動(dòng)轉(zhuǎn)為從電池吸取功率。該電路設(shè)計(jì)與 LTC4414 數(shù)據(jù)表第九頁(yè)上的圖 2 類似。LTC4414 （8 引線 MSOP 封裝） 控制一個(gè)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(gè)電源高效率進(jìn)行"或" 操作；在本文情況下，電源是太陽(yáng)能電池板和電池。當(dāng)連接一個(gè)外部設(shè)備時(shí)，電池和充電系統(tǒng)接受負(fù)載狀態(tài)。在無(wú)負(fù)載時(shí)，將對(duì)電池充電。因此該設(shè)計(jì)允許一起使用太陽(yáng)能電池板和電池供電，同時(shí)運(yùn)行電池充電過(guò)程。這一部分沒(méi)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(jì)。

　　電流檢測(cè)系統(tǒng)與電池串聯(lián)，利用并聯(lián)檢測(cè)電阻器測(cè)量電池的輸入充電電流和輸出放電電流，而無(wú)需斷開(kāi)電路。圖 3 的方框圖僅說(shuō)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(gè)雙路獨(dú)立電流檢測(cè)放大器，可通過(guò)外部檢測(cè)電阻器監(jiān)視電流。該器件以 mV 為單位測(cè)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(duì)保持一個(gè)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。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(cè)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(cè)電阻器與電路串聯(lián)時(shí)，輸出以 100mV/A 變化。圖 5 中的萬(wàn)用表顯示整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果。太陽(yáng)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.

圖 5:萬(wàn)用表顯示 17.11V 太