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

　　ADC 和微控制器讀數(shù)

　　我決定，每次檢查電路是否正常運(yùn)行時(shí)不使用電壓表，因?yàn)殡妷罕碓谏衬须y以攜帶。為了避免攜帶多個(gè)萬(wàn)用表，我用一個(gè)微控制器和 ADC 來(lái)讀取系統(tǒng)的電壓值，并在一般的 LCD 顯示屏上顯示信息。這種方法可就電路性能提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而無(wú)需連接幾個(gè)萬(wàn)用表。

　　我使用 DC590B 演示板和 LTC2418 8信道 / 16 信道 24 位 ADC 演示板 DC571A.我的同事 Mark Thoren 給了我 PIC 微控制器的嵌入式源代碼樣本，我微調(diào)了這個(gè)源代碼樣本，以跨 LTC2418 上 ADC 的不同通道對(duì)電壓采樣，并以可接受的分辨率、準(zhǔn)確地讀出 mV 范圍的電壓值。既然基準(zhǔn)電壓的最大范圍是 2.5V,那么我用一種電壓分壓器方法來(lái)按比例將電壓降低到 mV 范圍，以在 ADC 上實(shí)現(xiàn)正確的測(cè)量。通道連接到單個(gè)有關(guān)的輸入和輸出電壓上，包括電流檢測(cè)電壓。這么做非常成功，無(wú)需多個(gè)萬(wàn)用表。圖 6 是一個(gè)有關(guān)這個(gè) LCD 顯示屏的全功能系統(tǒng)的例子。我在 LCD 上得到的最后的顯示提供了有關(guān)以下電壓的信息：變化的太陽(yáng)能電源電壓 Vs、充電電路電壓 Vc、電池電壓 Vb、以及電池上的輸入充電/放電電流 C 和 D.在本文情況下，是"C",它在充電。放電時(shí)，程序?qū)⒏淖兊?D".

圖 6:LCD 讀數(shù)：Vs （太陽(yáng)能電池板電壓）；Vc （充電電路電壓）；Vb （電池電壓）；C = 充電電流 （4.3A），

用DC590B PIC 微控制器控制；用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 讀取電壓，該演示板由 LTM4601 演示板 DC1041A 微型模塊降壓型穩(wěn)壓器供電。

　　注意，DC590B 演示板不是靠 12V 軌供電，而是靠 5V 軌供電。需要一個(gè)降壓型穩(wěn)壓器將電壓從電池的 12V 降低到 5V.這個(gè)降壓型穩(wěn)壓器將必須是高效率的，因?yàn)殡娫磳?lái)自太陽(yáng)能電池板和電池，我不想因運(yùn)行 LCD 顯示屏和微控制器而耗費(fèi)大量功率。我使用 LTM4601 微型模塊 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器演示板 DC1041A.

　　LTM4601 是一個(gè) LGA 封裝的 15mm x 15mm x 2.8mm 微型模塊 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器，在 12A 最大負(fù)載電流時(shí)，輸入為 4.5V 至 20V,輸出為 0.6V 至 5V.LTM4601 的設(shè)計(jì)使得非常容易從 12V 電池提供一個(gè)穩(wěn)定的 5V 輸出。該微型模塊包括所有控制支持組件，如電阻器、電容器、MOSFET 和電感器。在這個(gè)系統(tǒng)中，效率大約為 90%,使用最小的電池電流，極大地延長(zhǎng)了電池壽命。更容易的是，輸出電壓用一個(gè)電阻器設(shè)置，如果我需要一個(gè)不同的電壓軌 （例如 3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V），那么在演示板上用一條跨接線可以非常容易地改變這個(gè)輸出電壓。

　　總之，兩塊 BP 太陽(yáng)能電池板，每塊在 4A 電流時(shí)都有 0 至 20V 的輸出，這兩塊太陽(yáng)能電池板由 20V 輸出的 LTM4607 降壓/升壓型微型模塊開關(guān)穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，然后再到 14V 輸入的 LTC1435/LT1620 電池充電器，通過(guò)一個(gè)理想二極管 MOSFET 控制器 LTC4414、一個(gè)串聯(lián)的電流檢測(cè)放大器 LTC6103,最終進(jìn)入電池；以穩(wěn)定的 4A 電流充電。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，由 LTC2418 在不同的級(jí)獲取 ADC 讀數(shù)，并將讀數(shù)送至由 LTM4601 微型模塊開關(guān)穩(wěn)壓器供電的 DC590B 演示板微控制器，以在 LCD 上顯示結(jié)果。圖 7 顯示正在運(yùn)行的整個(gè)系統(tǒng)。

圖 7:運(yùn)行中的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　噴霧系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

　　有了一個(gè)正常工作的太陽(yáng)能充電器和穩(wěn)定的 12V 輸出，我就準(zhǔn)備好著手組裝噴霧系統(tǒng)了。去一趟五金店就得到了我需要的材料：艙底污水泵、水龍帶連接器、水龍帶夾具、轉(zhuǎn)接器和噴霧系統(tǒng)。水龍帶長(zhǎng)約 15 英尺，擰在轉(zhuǎn)接器螺釘上，用水龍帶夾具固定到水泵上，噴霧系統(tǒng)固定在末端，有 5 個(gè)噴霧嘴。底艙污水泵靠最大值為 12V 的電壓運(yùn)行，水壓可以通過(guò)降低電壓來(lái)控制。

　　為了實(shí)現(xiàn)靈活性，我安裝了一個(gè)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可以接受 12V 輸入，并將輸入轉(zhuǎn)換成可變的 12V 輸出。這要求 LTM4607 設(shè)計(jì)有降壓/升壓特性。該器件使用一個(gè)反饋電阻器控制輸出電壓。一個(gè) 50k 的可變旋鈕電位器取代了電阻器，從而非常容易控制 0.8V 至 12V 的輸出。還串聯(lián)了一個(gè) 5.62k 的電阻器，以限制輸出電壓，保持輸出低于 15V.該設(shè)計(jì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)一個(gè)旋鈕實(shí)現(xiàn)了水壓控制。

　　然后，我就可以測(cè)試我的全功能噴霧系統(tǒng)了。結(jié)果，水泵導(dǎo)致最大約 6A 的電池放電電流，這意味著，在峰值輸出時(shí)，水泵約從每塊太陽(yáng)能電池板獲得 4A 電流?？刂扑盟俣群蛪毫Φ暮锰幨?，我可以將壓力降到足夠低，以降低電池的放電電流，并全部靠太陽(yáng)能電池板運(yùn)行水泵，以節(jié)省電池電量，這樣做非常有效。通過(guò)這種方法，我們能夠在營(yíng)地全天運(yùn)行噴霧系統(tǒng)，而不必?fù)?dān)心電池放電，耽誤夜間用于 LED 照明系統(tǒng)。

　　LED 照明

　　隨著電源的完成，我就可以增加電路，在晚上高效率地提供照明了。LED 足夠亮，可以照亮房間，這在以前是不可想象的，但是新的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)為 LED 照明的新時(shí)代創(chuàng)造了條件。尤其是，Philips Lumileds Luxeon LED 在 1000mA 時(shí)可以提供超過(guò) 100 流明的光。我配備了一個(gè) LumiLED 陣列，使用 LTC3475 （16 引線 TSSOP 耐熱增強(qiáng)型封裝） 雙路 1.5A 恒定電流 LED 驅(qū)動(dòng)器 DC923A 演示板。它設(shè)計(jì)成用一個(gè)寬范圍輸入電壓 （4V 至 30V） 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)信道，每個(gè)信道 1.5A.12V 電池直接連接到演示板的輸入，為每個(gè)通道 3 個(gè)串聯(lián)的 LED 燈供電，當(dāng)兩個(gè)通道都接通時(shí)，總共有 6 個(gè) LED.這些 LED 出奇地亮，用一塊柔光布遮上時(shí)，足夠照亮我們整個(gè)營(yíng)地。晚上的放電電流全部來(lái)自電池，因?yàn)樘?yáng)能電池板夜間提供零電力。以 2A 的總放電電流，可以整晚為這些燈供電。到接近中午或偏下午時(shí)，電池再次充滿電，為給噴霧系統(tǒng)供電做好了準(zhǔn)備，在早午餐后，噴霧系統(tǒng)就可以讓我們感到?jīng)鏊恕?/FONT>

　　用于外部設(shè)備的點(diǎn)煙器適配器

　　我們的通信無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)在大量使用以后需要充電，因?yàn)榉涓C電話接收不到信號(hào)。我們使用的無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)有一個(gè)汽車適配器插頭，可通過(guò)點(diǎn)煙器充電。為了快速充電，我增加了一個(gè)連接到電池的 12V 點(diǎn)煙器內(nèi)孔適配器，專門用于該汽車適配器插頭。這證明很有用，因?yàn)殡姵爻潆娨淮蝺H持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，所以我們需要經(jīng)常給我們的無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)充電。圖 8 顯示的是，通過(guò)連接到 12V 電池輸出的點(diǎn)煙器給無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)充電。

圖 8:通過(guò)汽車點(diǎn)煙器在 12Vdc 時(shí)對(duì) Ham無(wú)線電收發(fā)報(bào)機(jī)充電

　　調(diào)試和隱患

　　在用樣機(jī)進(jìn)行的一次初步測(cè)試中，我發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池板使用的一個(gè)根本限制。太陽(yáng)能電池板上變化的電壓也意味著變化的電流。我在仿真一些現(xiàn)實(shí)世界的要素時(shí)，例如陰影遮住太陽(yáng)能電池板或陽(yáng)光不足，頓悟了這個(gè)問(wèn)題。在一種極端情況下，在電池板上方舞動(dòng)手臂都能引起系統(tǒng)閉鎖到限流值上，這令人擔(dān)憂。當(dāng)陽(yáng)光變化使輸出電壓下降時(shí)，樣機(jī)的電流模式架構(gòu)使系統(tǒng)從太陽(yáng)能電池板吸取更多電流，這是非常合乎情理的，因?yàn)楣β史从车氖请娏髋c電壓之間的關(guān)系，電壓下降時(shí)，電流會(huì)上升，以達(dá)到同樣的功率值。解決方案是，設(shè)計(jì)一個(gè)功率變化的系統(tǒng)，因?yàn)橐曣?yáng)光在太陽(yáng)能電池板上照射量的不同而改變，輸入電壓和輸入電流會(huì)變化。

　　因?yàn)殡姵匕蹇赡苤惶峁?4A 的最大峰值電流，所以輸入端的這種欠流使系統(tǒng)閉鎖，并保持閉鎖狀態(tài)直到系統(tǒng)復(fù)位為止。簡(jiǎn)單的解決方案是，當(dāng)輸入電壓降至低于某個(gè)門限時(shí)，復(fù)位 LTM4607 微型模塊穩(wěn)壓器上的 RUN 引腳。當(dāng)電池板電壓下降時(shí)，用一個(gè)帶設(shè)定基準(zhǔn)電壓的比較器去觸發(fā)可以做到這一點(diǎn)。不幸的是，這個(gè)解決方案不是最佳的，因?yàn)橐曤姵匕褰邮艿奶?yáng)光照射量的不同，會(huì)引起系統(tǒng)或者接通或者斷開。一個(gè)更適合的解決方案是，就太陽(yáng)能電池板電壓而言，調(diào)節(jié)充