摘要
太陽(yáng)能對(duì)便攜式設(shè)備供電而言相當(dāng)有吸引力，也一度廣泛應(yīng)用于計(jì)算器和航天飛行器等應(yīng)用中。近期，我們正考慮將太陽(yáng)能應(yīng)用于包括移動(dòng)電話充電器在內(nèi)的更廣泛的消費(fèi)類產(chǎn)品應(yīng)用中。
不過，太陽(yáng)能電池板能提供的電力主要取決于工作環(huán)境，如光照強(qiáng)度、時(shí)間、地點(diǎn)等因素。電池通常用作能量存儲(chǔ)設(shè)備，如果太陽(yáng)能電池板能提供更多電力，就可給電池充電；如果太陽(yáng)能電池板提供的電力不足，那么反過來電池就給系統(tǒng)供電。我們要如何設(shè)計(jì)鋰離子電池充電器才能盡可能地利用太陽(yáng)能電池并給鋰離子電池充電呢？首先，我們來討論太陽(yáng)能電池的工作原理與電子輸出特性，然后，我們?cè)儆懻撾姵爻潆娤到y(tǒng)的要求以及系統(tǒng)解決方案與太陽(yáng)能電池特性相匹配的問題，從而盡可能地利用太陽(yáng)能電池。
太陽(yáng)能電池的 I-V 特性
基本上，太陽(yáng)能電池包括一個(gè) p-n 接點(diǎn)，光能（光子）在此使得電子和空穴重新組合，從而產(chǎn)生電流。由于 p-n接點(diǎn)的特性類似于二極管，因此我們通常將圖 1 所示的電路用作太陽(yáng)能電池特性的簡(jiǎn)化模型。
此處插入圖 1
圖 1 ：太陽(yáng)能電池的簡(jiǎn)化電路模型
電流源 IPH 生成的電流與太陽(yáng)能電池接收的光照量成正比。在不接負(fù)載時(shí)，幾乎所有生成的電流都流經(jīng)二極管 D，其正向電壓決定著太陽(yáng)能電池的開路電壓 (VOC)。VOC 因不同類型太陽(yáng)能電池的具體特性而有所差異。但對(duì)大多數(shù)硅電池來說，VOC 值都在 0.5V～0.6V 之間，這也是 p-n 接點(diǎn)二極管的正常正向電壓范圍。
并行電阻 (RP) 表示實(shí)際電池發(fā)生的較小漏電流，而 Rs 則表示連接損耗。隨著負(fù)載電流的增加，太陽(yáng)能電池生成的電流會(huì)有更多一部分偏離二極管而進(jìn)入負(fù)載。對(duì)大多數(shù)負(fù)載電流值來說，這對(duì)輸出電壓僅產(chǎn)生很小的影響。
圖 2 顯示了太陽(yáng)能電池的輸出特性。太陽(yáng)能電池的輸出隨著二極管的 I-V 特性不同而略有變化，且串聯(lián)電阻 (RS) 也會(huì)造成較小的壓降，但輸出電壓基本保持為常量。不過，在某一時(shí)刻，通過內(nèi)部二極管的電流會(huì)非常小，導(dǎo)致偏置不足，這樣二極管上的電壓會(huì)隨負(fù)載電流的上升而快速下降。最后，當(dāng)所有生成的電流都流經(jīng)負(fù)載而不通過二極管時(shí)，輸出電壓為零。這種電流稱作太陽(yáng)能電池的短路電流 (ISC)，它與 VOC 都是決定電池工作性能的主要參數(shù)，因此，我們將太陽(yáng)能電池視為“電流有限的”電源。當(dāng)輸出電流增加時(shí)，輸出電壓會(huì)下降，最后降為零，這時(shí)負(fù)載電流為短路電流。
此處插入圖 2
圖 2 ：典型的太陽(yáng)能電池 I-V 特性
在大多數(shù)應(yīng)用中，理想情況是盡可能從太陽(yáng)能電池獲得最大電力。由于輸出功率是輸出電壓與電流的乘積，因此我們應(yīng)明確電池哪部分工作區(qū)能實(shí)現(xiàn)最大的輸出電壓與電流乘積值，即所謂的最大功率點(diǎn) (MPP)。在一種極端情況下，輸出電壓為最大值(VOC)，但輸出電流為零；在另一種極端情況下，輸出電流為最大值 (ISC)，但輸出電壓為零。在上述兩種情況下，輸出電壓與電流的乘積均為零，因此，MPP 必須在兩種極端情況之間。
我們可以很容易地證明（或通過實(shí)驗(yàn)觀察到），不管在何種應(yīng)用，MPP 實(shí)際上總會(huì)出現(xiàn)在太陽(yáng)能電池輸出特性圖的轉(zhuǎn)彎處（見圖 3）。實(shí)踐中的問題在于，太陽(yáng)能電池 MPP 的確切位置會(huì)隨著光照和環(huán)境溫度的變化而變化，因此，為了盡可能利用太陽(yáng)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須在實(shí)際工作條件下實(shí)現(xiàn)或接近 MPP。
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圖 3 ：太陽(yáng)能電池輸出特性
優(yōu)化電池充電器設(shè)計(jì)，以從太陽(yáng)能電池板獲得最大電力
我們可通過幾種不同方法來跟蹤太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)的 MPP，不過這些方法通常會(huì)比較復(fù)雜，特別對(duì)衛(wèi)星等關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)來說更是如此。不過，在許多低成本系統(tǒng)中，我們并不必強(qiáng)求 MPP 跟蹤系統(tǒng)的精確性。簡(jiǎn)單的低成本解決方案只要能收集到可用能量的 90% 左右就可以了。充電控制系統(tǒng)如何讓太陽(yáng)能電池的工作接近 MPP 呢？
動(dòng)態(tài)電源路徑管理 (DPPM) 技術(shù)能滿足跟蹤 MPP 的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。圖 4 顯示了鋰離子電池充電應(yīng)用的電路，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板電力的最大化，且我們能用 MOSFET Q2 來調(diào)節(jié)電池充電電流、充電電壓或系統(tǒng)總線電壓。太陽(yáng)能電池板用作電源，對(duì)單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行充電。太陽(yáng)能電池板包括一系列硅單元串，每串包括 11 個(gè)硅單元，就好像電流有限的電壓源，電池板的尺寸及光照量決定著電流的大小。
DPPM 能夠監(jiān)控系統(tǒng)總線電壓 (VOUT) 隨電流限制電源的下降。系統(tǒng)總線連接的電容 (Co) 開始放電，一旦系統(tǒng)和電池充電器所需電流大于太陽(yáng)能電池板提供的電流，就會(huì)使系統(tǒng)總線電壓下降。一旦系統(tǒng)總線電壓降到預(yù)設(shè)的DPPM 閾值，電池充電控制系統(tǒng)將在 DPPM 閾值位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)總線電壓。我們可通過降低電池充電電流來實(shí)現(xiàn)上述目的，從而獲得太陽(yáng)能電池板的最大電力。DPPM 控制電路設(shè)法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)條件，使系統(tǒng)獲得所需的電力，并用剩余電力給電池充電，這樣，我們就能最大化太陽(yáng)能電池板的電力，并提高系統(tǒng)的可靠性。
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圖 4：用太陽(yáng)能電池板給一節(jié)鋰離子電池充電
圖中太陽(yáng)能電池板提供的最大輸出電壓 (VOC) 通常在 5.5V～6.0V 之間。由于該電壓低于預(yù)定義的 6V 輸出調(diào)節(jié)電壓，因此 MOSFET Q1 完全打開。如果系統(tǒng)和電池充電器所需的總電流超過太陽(yáng)能電池根據(jù)光照量決定的輸出電流，那么太陽(yáng)能電池板的輸出電壓將降低，從而減小輸出電壓 (VOUT)。當(dāng) VOUT 降至 VDPPM 時(shí)（也是太陽(yáng)能電池板的輸出電壓），充電電流降低。如 VDPPM 設(shè)置靠近 MPP 的話，那么太陽(yáng)能電池板這時(shí)將工作在靠近 MPP 的位置。我們通過對(duì) RDPPM 進(jìn)行適當(dāng)編程，使其達(dá)到一定的值，確保 VOUT 保持最小為 4.5V，從而實(shí)現(xiàn)上述目的。我們之所以使用 VDPPM 的值，是因?yàn)樗侠淼貙?duì)應(yīng)于太陽(yáng)能電池板的 MPP。
假定 MOSFET Q1 上的壓降為 300mV，那么每個(gè)單元上的壓降將等于 436mV，這將最大化太陽(yáng)能電池板的功率輸出。如果 VOUT 大于 4.5V，那么 DPPM 不起作用，太陽(yáng)能電池板將遠(yuǎn)離其 MPP。不過，只有系統(tǒng)和電池充電器所需的電力小于太陽(yáng)能電池板的供電量時(shí)，才會(huì)發(fā)生上述情況。這時(shí)，效率降低并不會(huì)很重要。圖 3 顯示出，輸出功率接近 MPP 時(shí)，其曲線比較平坦，隨后會(huì)急劇下降，因此我們最好將 VDPPM 設(shè)得略高一些，而不要設(shè)得略低，這將盡可能降低因工作電壓設(shè)置不當(dāng)而對(duì)輸出功率產(chǎn)生不良影響。假如即便電池充電電流降至零時(shí)，太陽(yáng)能電池板可用的電力也不足以給系統(tǒng)供電的話，那么 MOSFET Q 2將完全打開，VOUT 剛好降至電池電壓 VBAT 值以下，且電池可提供太陽(yáng)能電池板所不能提供的電流。
如充電器工作于 DPPM 中時(shí)，內(nèi)部安全定時(shí)器會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展。這樣，在低光照或無光照等特殊工作條件下，電池充電會(huì)非常慢，抑或電池會(huì)處于放電模式。我們幾乎不可能就所有應(yīng)用設(shè)置適當(dāng)?shù)某潆姲踩〞r(shí)器，否則就可能導(dǎo)致安全定時(shí)器出錯(cuò)，因此我們可通過禁用安全定時(shí)器來解決相關(guān)問題。
總結(jié)
我們認(rèn)為，太陽(yáng)能電池板提供的電力是一種電流有限的電壓電源。我們可在系統(tǒng)和電池充電所需的總電流超過太陽(yáng)能電池板提供的電流時(shí)，通過降低充電電流并在 MPP 附近調(diào)節(jié)系統(tǒng)總線電壓，從而使太陽(yáng)能電池板給鋰離子電池充電提供最大電力。系統(tǒng)電源和電池充電電源控制架構(gòu)是設(shè)計(jì)可靠的太陽(yáng)能電池板供電系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。 |
