小型雙電池太陽能板緊湊型電池充電器

2020-12-15 電子發燒友

小型雙電池太陽能板緊湊型電池充電器

工程師黃明星 發表於 2018-07-01 10:10:00

引言

如今，低功率電子技術的發展允許將電池供電的傳感器和其他設備安置在遠離電網的地方。在理想的情況下，為了真正擺脫電網的束縛，就應免除更換電池的需要，而代之以由局部環境提供的可再生能源 （如太陽能） 對電池進行再充電。本設計要點說明了怎樣構建一款依靠小型雙電池太陽能板工作的緊湊型電池充電器。該設計的獨特之處在於 DC/DC 轉換器運用功率點控制以從太陽能板吸取最大的功率。

最大功率點控制的重要性

雖然太陽能電池或太陽能電池板是按照功率輸出來分類，但電池板的可用功率卻很少是恆定的。其輸出功率在很大程度上取決於光照、溫度以及從電池板吸收的負載電流。為說明這一點，圖 1 示出了一塊雙電池太陽能板在恆定光照條件下的 V-I 特性曲線。I-V 曲線在短路 （最左側） 至大約 550mA 負載電流的範圍內具有相對恆定的電流特性，隨之在較低的電流條件下它遵從於恆定電壓特性，並在開路時 （最右側） 趨近於最大電壓。電池板的功率輸出曲線顯示：功率輸出在大約 750mV/530mA 的地方 （I-V 曲線的拐點處） 出現一個明顯的峰值。如果負載電流增至超過功率峰值，則功率曲線迅速下降至零 （最左側）。同樣，輕負載也會使功率趨向於零 （最右側），不過這往往不太會是一個問題。

圖 1：太陽能電池板的輸出電壓、電流和功率

當然，電池板的光照條件會影響可用功率 —— 光照少則功率輸出較低；光照多則功率輸出較高。儘管光照直接影響著峰值功率輸出的大小，但它對於峰值在電壓標度上的位置卻沒有那麼大的影響。就是說，不管光照如何，出現峰值功率的電池板輸出電壓保持相對恆定。因此，通過適度調節輸出電流以使太陽能板的電壓處於或高於該峰值功率電壓 （這裡為 750mV） 是明智的。這種做法被稱為最大功率點控制 （MPPC）。

圖 2 示出了在採用和未採用最大功率點控制的情況下，陽光的變化對於充電電流的影響。模擬陽光的強度從 100% 降至約 20%，而後回升至 100%。請注意，當陽光強度下降至 20% 左右時，太陽能板的輸出電壓和電流也下降，但是 LTC？3105 的最大功率點控制則可以防止太陽能板的輸出電壓降至 750mV 的設定值以下。它通過減小 LTC3105 的輸出充電電流以防止太陽能板電壓驟降至接近 0V 來實現上述功能，如圖 2 中右側的曲線圖所示。而在未採用功率點控制時，陽光強度的小幅下降也會完全阻斷充電電流的流動。

圖 2：改變陽光強度會影響充電電流

具輸入功率控制功能的 LTC3105 升壓型轉換器

LTC3105 是一款同步升壓型 DC/DC 轉換器，主要設計用於將取自環境能量源 （例如：低電壓太陽能電池和熱電發生器） 的功率轉換為電池充電功率。LTC3105 採用 MPPC 從能量源輸送最大的可用功率。它通過減小 LTC3105 的輸出電流以防止太陽能板的電壓驟降至接近 0V 來實現這一功能。LTC3105 能夠在低至 250mV 的輸入電壓條件下啟動，因而使其能夠由單個太陽能電池或者多達 9 節或 10 節串聯連接的電池來供電。

輸出斷接功能免除了其他太陽能供電型 DC/DC 轉換器常常需要的隔離二極體，並允許輸出電壓高於或低於輸入電壓。在啟動期間 400mA 的開關電流限值被減小，以便依靠阻抗相對較高的電源來工作，但一旦轉換器處於正常運作狀態仍可提供適合眾多低功率太陽能應用的足夠功率。另外，LTC3105 還具有一個 6mA 的可調輸出低壓差線性穩壓器、漏極開路電源良好輸出、停機輸入和突發模式 （Burst Mode？） 操作能力，以改善低功率應用的效率。

太陽能供電型鋰離子電池充電器

圖 3 示出了一款緊湊的太陽能供電型電池充電器，它採用 LTC3105 作為升壓型轉換器，而將 LTC4071 用作鋰離子電池並聯充電器。一塊雙電池 400mW 太陽能板負責為 LTC3105 提供輸入功率，以在陽光充足的情況下產生 60mA 以上的充電電流。如圖 1 所示，最大功率點控制可防止太陽能板的電壓降至 750mV 的最大功率點以下。轉換器的輸出電壓被設置為 4.35V，略高於鋰離子電池的 4.2V 浮置電壓。LTC4071 並聯充電器將電池兩端的電壓限制為 4.2V。把 FBLDO 引腳接地可將低壓差穩壓器設置為 2.2V，用於給「充電」LED 供電。該 LED 在電池充電時接通，而當電池電壓處於浮置電壓的 40mV 以內時則關閉 （以表示電池接近滿充電狀態）。一個 NTC 熱敏電阻用於感測電池溫度，並在環境溫度很高的情況下降低 LTC4701 的浮置電壓以提高電池的安全性。為避免電池遭受過度放電的損壞，低電池電量斷接功能可在電池電壓下降至低於 2.7V 時將電池與負載斷接。

圖 3：雙電池太陽能板和鋰離子電池充電器

結論

雖然本文描述的電路僅可產生幾百 mW 的功率，但它卻能夠在大多數天氣條件下提供足以使一個 400mAhr 鋰離子電池保持滿充電狀態的功率。低輸入電壓與輸入功率控制相結合，使得 LTC3105 成為低功率太陽能應用的理想選擇。此外，LTC4071 並聯充電系統還通過提供精準浮置電壓、充電狀態和溫度安全特性而對 LTC3105 給予了補充，可在室外環境中確保長久的電池使用壽命。

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