鋰電池充電器設(shè)計(jì)技巧：從太陽能電池獲取更大功率

太陽能是為便攜式設(shè)備供電的有吸引力的能源。一段時(shí)間以來，它一直被廣泛地用于諸如計(jì)算器和航天飛機(jī)這樣的應(yīng)用。最近，人們正考慮把太陽能用于包括移動(dòng)電話充電器這樣的范圍更寬廣的消費(fèi)電子應(yīng)用。

然而，太陽能電池|0">太陽能電池板所提供的功率高度依賴于工作環(huán)境。這包括諸如光密度、時(shí)間和位置之類的因素。因此，電池通常被用作能量存儲(chǔ)單元。當(dāng)來自太陽能板的電能有余的時(shí)候，就可以對(duì)電池充電；當(dāng)太陽能板提供的電能不足時(shí)，電池就可以為系統(tǒng)供電。我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)鋰?yán)与姵爻潆娖饕员銖奶柲茈姵刂蝎@取最多的功率并有效地對(duì)鋰電池充電呢？首先，我們將討論太陽能電池的工作原理和電氣輸出特性；然后，我們將討論電池充電系統(tǒng)要求以及匹配太陽能電池特性的系統(tǒng)解決方案，以便從太陽能電池獲取最大的功率。

太陽能I-V特性

一般地說，太陽能電池由p-n結(jié)構(gòu)成，其中的光能(光子)引起電子和空穴的重新組合，產(chǎn)生電流。因?yàn)閜-n結(jié)的特性類似于二極管的特性，如圖1所示的電路通常被用于簡化太陽能電池的特性。

圖1：簡化的太陽能電池的電路模型。

電流源IPH產(chǎn)生的電流正比于落在太陽能電池上的光量。在沒有負(fù)載連接的時(shí)候，幾乎所有產(chǎn)生的電流都流過二極管D，其正向電壓決定太陽能電池的開路電壓(VOC)。該電壓的變化嚴(yán)格地取決于每一種類型的太陽能電池。但是，對(duì)于大多數(shù)硅電池，其0.5V到0.8V之間的電壓范圍恰好就是p-n結(jié)二極管的正向電壓。

并聯(lián)電阻(RP)代表實(shí)際太陽能電池中出現(xiàn)的微小泄漏電流，Rs代表連接損耗。隨著負(fù)載電流增加，由太陽能電池所產(chǎn)生的大部分電流被分流到二極管并進(jìn)入負(fù)載。對(duì)于大多負(fù)載電流的數(shù)值，這只對(duì)輸出電壓有很小的影響。

圖2所示為太陽能電池的輸出特性，由于二極管的I-V特性存在微小的變化，串聯(lián)電阻(Rs)上的電壓降也存在微小的變化，但是，輸出電壓保持很大的恒定。然而，在一些點(diǎn)通過內(nèi)部二極管的電流是如此之小，以至于它變得偏置不夠，并且，隨著負(fù)載電流的增加，跨越它的電壓快速減少。最后，如果所有產(chǎn)生的電流流過負(fù)載并且不流過二極管的話，輸出電壓就為零。該電流被稱為太陽能電池的短路電流(ISC)，它與VOC一道是定義工作性能的主要參數(shù)之一。因此，太陽能電池被認(rèn)為是“電流受限”的電源。當(dāng)輸出電流增加的時(shí)候，其輸出電壓降低，直到最終減少為零，如果負(fù)載電流達(dá)到其短路電流的話。

圖2：典型的太陽能電池I-V特性。

在大多數(shù)應(yīng)用中，人們期望從太陽能電池獲取盡可能多的功率。因?yàn)檩敵龉β适禽敵鲭妷汉碗娏鞯某朔e，有必要確定電池的哪一部分的工作區(qū)域產(chǎn)生的輸出電壓和電流的乘積的數(shù)值最大，這一點(diǎn)被稱為最大功率點(diǎn)(MPP)。在一種極端情況下，輸出電壓為其最大數(shù)值(VOC)，但是，輸出電流為零；在其它極端情況下，輸出電流位其最大值(ISC)，但是，輸出電壓為零。在兩種情況下，輸出電壓和電流的乘積都是零。因此，MPP必須位于兩種極端情況之間的某處。

可以容易地證明：在任何應(yīng)用中，MPP實(shí)際上出現(xiàn)在太陽能電池的輸出特性(見圖3)下半部的某個(gè)位置。實(shí)際上，問題在于太陽能電池的MPP的嚴(yán)格位置會(huì)根據(jù)光線和環(huán)境溫度變化。因此，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要產(chǎn)生最大的太陽能，就必須動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)太陽能電池輸出的電流，以便它在實(shí)際工作條件下位于或接近MPP工作。

圖3：太陽能電池輸出特性。

優(yōu)化充電器設(shè)計(jì)以從太陽能板獲得最大的功率。

跟蹤太陽能板系統(tǒng)的MPP的途徑有多種，這些常常相當(dāng)復(fù)雜，特別是在諸如衛(wèi)星通信這樣的重要任務(wù)系統(tǒng)中。然而，在許多對(duì)成本敏感的應(yīng)用中，極其精確的MPP跟蹤方案卻是不必要的。所有的要求就是以簡單、低成本的解決方案儲(chǔ)存大約90%的可用能量。充電控制系統(tǒng)如何使太陽能電池以接近MPP的方式工作呢？

動(dòng)態(tài)功率路徑管理(DPPM)技術(shù)可以滿足跟蹤MPP所面臨的這種挑戰(zhàn)。圖4顯示了從太陽能板獲得最大功率的鋰離子電池充電應(yīng)用電路，其中，MOSFET Q2被用于調(diào)節(jié)電池充電電流、充電電壓或系統(tǒng)總線電壓。太陽能板被用做為單顆鋰離子電池充電的電源。太陽能板由若干串在一起的電池組成，每一串具有11個(gè)串聯(lián)的硅電池，其行為就像電流受到限制的電壓源，其中，電流限度由太陽能板的大小以及照射在上面的光通量來確定。

DPPM監(jiān)測(cè)因電流受限電源引起的系統(tǒng)總線電壓(VOUT)降。連接到系統(tǒng)總線上的電容(CO)開始放電，一旦系統(tǒng)所需要的電流和電池充電器的電流大于太陽能板所提供的電流，就會(huì)造成系統(tǒng)的總線電壓開始下降。當(dāng)系統(tǒng)總線電壓跌落到預(yù)設(shè)的DPPM閥值的時(shí)候，電池充電控制系統(tǒng)就把系統(tǒng)總線電壓調(diào)節(jié)到DPMM閥值。

圖4：利用太陽能板對(duì)一個(gè)鋰離子電池充電。

從這個(gè)太陽能板獲得的最大輸出電壓(VOC)通常在5.5V到6V之間。因?yàn)樵撾妷旱陀陬A(yù)設(shè)的6V輸出調(diào)節(jié)電壓，MOSFET Q1被完全關(guān)閉。如果系統(tǒng)和電池充電器所需要的總電流超過太陽能電池的輸出電流—取決于光線強(qiáng)弱—能力，太陽能板的輸出電壓將下跌，從而使輸出電壓(VOUT)下降。當(dāng)VOUT下降到VDPPM—也是太陽能板的輸出電壓—的時(shí)候，充電電流就下降了。太陽能板現(xiàn)在將在接近其MPP的狀態(tài)下工作，如果VDPPM被設(shè)置為接近MPP的話。通過恰當(dāng)?shù)匕裄DPPM編程到一個(gè)電平，就容許VOUT保持在最小的4.5V，從而實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這個(gè)VDPPM數(shù)值就被人們所采用，因?yàn)樗喈?dāng)符合太陽能板的MPP。

假設(shè)跨越MOSFET Q1的電壓降為300mV，那么，跨越每一個(gè)電池的電壓將等于436mV，從而把太陽能板的功率輸出最大化。如果VOUT大于4.5V，DPPM功能毫無作用—要把太陽能板從其MPP移開。但是，這只能發(fā)生在如果系統(tǒng)及電池充電器所需要的功率小于太陽能板能夠提供的功率的情況下。在這種情況下，降低效率不是那么重要。如圖3所示，隨著輸出功率逼近MPP，輸出功率曲線變得十分平坦，然后，突然急劇下降。因此，把VDPPM設(shè)置得稍高比設(shè)置得稍低要好。這樣做將把不正確的工作點(diǎn)對(duì)輸出功率的影響最小化。如果太陽能板提供的功率不足以為系統(tǒng)供電，甚至當(dāng)電池充電電流已經(jīng)被降低到零的時(shí)候，MOSFET Q2就導(dǎo)通，VOUT下降到剛好低于電池電壓VBAT，并且電池提供太陽能板所不能提供的電流。

如果充電器工作在DPPM狀態(tài)，內(nèi)部安全定時(shí)器就自動(dòng)地延長時(shí)間。因此，當(dāng)考慮諸如低光線或無光條件之類的特殊工作條件時(shí)，電池充電就非常低，或電池可能甚至工作在放電模式。要設(shè)置覆蓋所有應(yīng)用的合適的充電安全定時(shí)器幾乎是不可能的。否則，就可能產(chǎn)生一個(gè)虛假的安全定時(shí)器錯(cuò)誤。因此，解決這個(gè)問題的一個(gè)選項(xiàng)就是禁止安全定時(shí)器工作。

本文小結(jié)

太陽能板所提供的電源被認(rèn)為是“電流受限”的電壓源。太陽能板對(duì)鋰電池的最大充電功率的實(shí)現(xiàn)途徑是：當(dāng)系統(tǒng)和電池充電所需要的總電流超過太陽能板的輸出電流能力時(shí)，要通過降低充電電流來調(diào)節(jié)MPP附近的系統(tǒng)總線電壓。對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)可能的太陽能板供電的系統(tǒng)來說，關(guān)鍵的元素就是系統(tǒng)功率和電池充電功率控制架構(gòu)。

關(guān)于作者

Jinrong Qian是TI公司便攜式電源/電池管理組的應(yīng)用工程經(jīng)理和技術(shù)職員的著名成員。他已經(jīng)出版了40篇對(duì)等評(píng)論功率電子處理和電源管理的文章，并擁有19項(xiàng)美國專利。他1985年獲得浙江大學(xué)的電氣工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1997年獲得維吉尼亞理工大學(xué)的博士學(xué)位?？梢酝ㄟ^電子郵件ti_jinrongqian@list.ti.com與他聯(lián)系。

Nigel Smith是TI公司負(fù)責(zé)便攜式應(yīng)用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程師，在假如TI之前，Nigel在航空工業(yè)工作了幾年，期間，他設(shè)計(jì)了若干基于NiCd和鋰離子的衛(wèi)星電源系統(tǒng)。他獲得了英國索爾福德大學(xué)的電子理學(xué)學(xué)士學(xué)位?？梢酝ㄟ^電子郵件ti_nigelsmith@list.ti.com與他聯(lián)系。