太陽能電池板MPP的脈衝負載供電解決方案

太陽能電池板MPP的脈衝負載供電解決方案

工程師飛燕 發表於 2018-06-12 10:21:00

許多太陽能電池板供電的應用只需要功率脈衝來操作。用於數據採集或測量採樣的系統通常需要打開，執行測量或其他任務，傳送處理或測量的數據，然後返回到睡眠狀態。在許多情況下，無線傳輸數據消耗的輸出功率的最大部分。對於系統本身或者用於傳輸數據的這些所需的功率脈衝通常難以用諸如太陽能電池板的功率受限的電源來支持。通過在太陽能電池板的最大功率點（MPP）上運行並通過從面板上智能地提取功率，可以成功利用能量為脈衝負載供電。本文介紹了一種簡單而經濟的解決方案，用於這種脈衝負載系統中的最大功率點跟蹤（MPPT）。

太陽能電池板的特點

太陽能電池板在MPP運行時提供峰值輸出功率。MPP是對應於面板的最高可獲得的輸出功率的電壓和電流。即使光照量變化，MPPT也可利用太陽能電池板供電。太陽能電池板的一個特點是面板電壓隨著從面板流出的電流的增加而降低。如果電流過高，則電壓崩潰，功耗量變得非常低。圖1示出了特定太陽能電池板的輸出電流和輸出功率與其輸出電壓的關係。MPP被標記。圖中水平的綠線表示輸出功率至少為MPP的90％。在這條線上方，點1和2之間，面板提供最大的功率。

當太陽能電池板供電的負載只需要功率脈衝，並且不需要在100％的時間內通電時，在MPP的90％內操作的一種簡單方法是在點1處開啟負載並將其關閉在第二點。當負載開啟時，它吸取所需的功率，這降低了面板的電壓。這將操作點從點1移動到MPP點，然後移到點2.在點2，負載關閉，面板電壓再次升高。即使是這樣簡單的操作，仍然有三個問題需要克服。

首先，負載可能需要與面板輸出不同的電壓。因此，需要高效率的電源將可變且相對較高的面板電壓轉換成用於負載的恆定電壓。

圖1：太陽能電池板的MPP圖

其次，應測量面板電壓，並根據該電壓禁用或啟用電源。大多數電源都有一個數字輸入來啟用或禁用它們。這樣的輸入具有非常不精確的閾值，以將邏輯低與邏輯高區分開。在閾值不精確的情況下，面板電壓不能直接連接到使能輸入。相反，需要具有精確閾值的外部電路。可以使用電源電壓監控器，但這增加了第二個設備的成本和複雜性。

第三，快速變化的面板電壓必須大大減緩，以便有足夠的操作時間來完成所需的任務。從點1到點2改變面板電壓幾乎不需要時間在理論上零秒。在此期間，當電壓從點1到點2變化時，負載的電源必須打開，負載必須執行其任務。這要求電源具有非常快速的開啟和足夠長的面板電壓保持時間以執行必要的任務。

MPPT解決方案

有很少的單一設備，成本效益的解決方案，從功率受限的太陽能電池板輸入的寬電壓範圍內運行，同時有效地提供穩定的輸出電壓，快速啟動，並在90％的MPP內運行。然而，德州儀器（TI）的TPS62125則是一種可接受高達17 V的輸入電壓，工作效率超過90％，啟動時間小於1 ms，並具有精確閾值的啟用輸入引腳的器件直接連接到MPPT太陽能電池板的電壓。這消除了另外的設備執行這個功能的需要。圖2顯示了完整的解決方案。

圖2：脈衝負載的MPPT電路

由R1和R2組成的分壓器被配置為打開圖1中的點1的電源。直到電源被使能，器件本身將R2和R3之間的節點保持在地電位。電源啟動後，器件釋放該節點，R3成為分壓器的一部分。當太陽能電池板電壓降至點2時，器件關斷，再次將R2和R3之間的節點保持在低電平。此時，面板電壓再次開始上升，直到達到導通閾值。這提供了一個完全可編程的開啟和關閉電壓，可配置到任何太陽能電池板。

大容量輸入電容器C3儲存來自太陽能電池板的足夠的能量以在所需持續時間內為負載供電，並提供用於啟動電源的充電。面板將對應於其電壓的電流輸送到電源或C3。當電源關閉時，太陽能電池板將電流傳送到電容器。當電源開啟時，電容器和太陽能電池板提供必要的電流給負載供電。由於C3僅僅儲存能量，並且這個能量在相當長的一段時間內釋放，所以C3可以是一個低成本的電解電容器。

計算所需的體積輸入電容

設計MPPT電路的第一步是確定負載的功率需求，然後根據這些功率需求和所選的太陽能電池板計算所需的大容量輸入電容量。例如，假定遙感電路在250毫安（825毫瓦）下需要3.3伏，持續時間為15毫秒。這些是包含測量設備，微處理器和RF發射器的系統的典型需求。

在確定負載的功率需求之後，計算C3所需的值。首先，從公式1中找到驅動負載所需的輸入電流：

V IN是圖1中點1和點2之間的平均太陽能板電壓，η是給定輸出功率下的電源效率。請注意，V IN約為7.8 V，輸出功率為825 mW 時，電源的典型效率約為87％。使用這些數字，I IN = 122毫安。這比圖1所示的太陽能電池板能夠提供的要大得多，所以C3必須存儲足夠的能量以提供剩餘電流15ms。公式2根據負載要求和太陽能電池板特性確定所需的C3值：

V P1和V P2是點1和點2處的電壓，對於該面板而言分別為約9V和6.5V，並且對應於C3放電時的電壓變化。由t ON給出的所需的負載操作時間是15ms。最後，我Panel（平均）是當面板在MPP的90％以內運行時，太陽能電池板的平均電流。如圖1所示，這個電流約為19 mA。

從等式2可以確定C3應該大於618μF。一個680μF的電容器用於在運行時間內提供一定的餘量。

計算使能引腳的分壓器

R1，R2和R3形成一個完全可配置的分壓器，使能（EN）引腳具有滯後。等式3和4用於設置電阻值：

首先選擇R1，1MΩ是一個好的起始值。以此計算，R2被計算為153.8kΩ。選擇最接近的154kΩ標準值。R3應該是60.9kΩ，60.4kΩ是最接近的標準值。

額外的MPPT電路配置

另一個可以配置為使典型應用受益的特性是使用電源良好（PG）輸出來控制負載使能（EN）輸入。電源關閉時，PG引腳保持低電平。上拉電阻R6將其拉高，但只有在電源使能且輸出電壓穩定時。將PG輸出直接連接到負載的EN輸入，可保持禁用負載，直到輸入電壓升至V P1以上，直到輸出電壓足夠高以正確地為負載供電。由於輸入電壓低於V P2，電源被禁止，PG引腳被主動拉低，這也禁用負載。這種配置確保只有在電源電壓穩定時才能使能負載，避免可能會損壞負載性能或數據的低電源電壓。

圖3：在MPP的90％以內MPPT電路的操作

檢測結果

圖3顯示了正在運行的MPPT電路。面板電壓V IN保持在9 V和6.5 V之間（分別為V P1和V P2）。一旦V OUT進入穩壓狀態，負載啟用並消耗250 mA。當面板電壓下降到6.5 V時，V OUT被禁止，從而禁止負載電流。太陽能電池板始終提供19 mA的平均電流。圖3中的負載運行時間約為18 ms，滿足15 ms的要求。這個運行時間大致與計算結果相匹配，因為C3的值超出了這些計算的結果。

圖4替換了圖3中的輸出電壓走線，I Cap的走線，C3的電流。隨著V IN減小，離開電容器的電流是正的 - 電容器將其存儲的能量提供給電源，電源然後將該能量提供給負載。一旦負載關閉，由於面板電壓降至6.5 V，電源禁用，C3的電流變為負值 - 電容器從面板再充電，為下一個周期儲存能量。當電池板電壓足夠高時，由於電源接通，因此在負載使能之前，來自C3的電流短暫尖峰。啟動期間，需要由C3提供額外的輸入電流。

圖4：提供工作在MPP 90％以內的電路的大容量輸入電容器（C3）

結論

本文展示了一種簡單而經濟的電路，用於追蹤脈衝負載系統的太陽能電池板MPP，例如通過RF發射器傳輸其數據的遠程測量系統。這種拓撲也可以配置為任何太陽能電池板和任何脈衝負載。

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