針對(duì)脈沖負(fù)載應(yīng)用的簡(jiǎn)易太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)追蹤解決方案

 引言

許多太陽(yáng)能電池板供電型應(yīng)用只需功率脈沖便可運(yùn)行。我們需要頻繁地開啟數(shù)據(jù)收集或者測(cè)量采樣系統(tǒng)，執(zhí)行測(cè)量或者其他任務(wù)，發(fā)送經(jīng)過處理或者測(cè)量的數(shù)據(jù)，然后再回到睡眠模式。在許多情況下，以無線方式發(fā)送這些數(shù)據(jù)消耗掉了大部分輸出功率。如太陽(yáng)能電池板等小功率電源，通常難以支持系統(tǒng)本身或者數(shù)據(jù)發(fā)送所需的這些功率脈沖。通過讓太陽(yáng)能電池板工作在最大功率點(diǎn) (MPP)，并且智能地從電池板獲取功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的管理，從而順利地驅(qū)動(dòng)脈沖負(fù)載。本文將為您介紹一種簡(jiǎn)單且高成本效益的最大功率點(diǎn)追蹤 (MPPT) 解決方案，以供這類脈沖負(fù)載系統(tǒng)使用。

太陽(yáng)能電池板特性

在最大功率點(diǎn)工作時(shí)，太陽(yáng)能電池板可提供峰值輸出功率。最大功率點(diǎn)是一個(gè)與電池板最高可達(dá)輸出功率相對(duì)應(yīng)的電壓和電流。在光照水平不斷變化的情況下，最大功率點(diǎn)追蹤方法對(duì)來自太陽(yáng)能電池板的功率進(jìn)行管理。太陽(yáng)能電池板的一個(gè)特性是，電池板電壓隨電池板輸出電流增加而下降。如果輸出電流過高，則電池板電壓崩潰，并且輸出功率變得非常低。圖 1 描述了特定太陽(yáng)能電池板輸出電流及輸出功率與其輸出電壓之間的比較情況。最大功率點(diǎn)已被標(biāo)示出來。圖中，一條水平綠線條表明輸出功率至少為 90% 最大功率點(diǎn)時(shí)的位置。該線條以上，在“點(diǎn) 1”和“點(diǎn) 2”之間時(shí)，電池板輸出功率最大。

圖 1 太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)圖

當(dāng)太陽(yáng)能電池板供電型負(fù)載僅要求功率脈沖并且不需要全時(shí)段供電時(shí)，讓其工作在 90% 最大功率點(diǎn)以下的一種簡(jiǎn)單方法是，在“點(diǎn) 1”開啟負(fù)載，而在“功率點(diǎn) 2”關(guān)閉負(fù)載。當(dāng)負(fù)載開啟時(shí)，其獲得要求的功率，從而使電池板電壓下降。這樣，工作點(diǎn)便從“點(diǎn) 1”開始移動(dòng)，經(jīng)過最大功率點(diǎn)，最終超過“點(diǎn) 2”。在“點(diǎn) 2”時(shí)，負(fù)載關(guān)閉，電池板電壓再次上升。即使是這種簡(jiǎn)單的操作，我們也必須解決 3 個(gè)問題。

首先，相比電池板輸出，負(fù)載可能會(huì)要求不同的電壓。因此，我們需要使用一種高效的電源，以將不穩(wěn)定且相對(duì)較高的電池板電壓轉(zhuǎn)換為負(fù)載可用的恒定電壓。

其次，我們需要測(cè)量電池板電壓，并且根據(jù)該電壓來關(guān)閉或者開啟電源。大多數(shù)電源都利用一個(gè)數(shù)字輸入來實(shí)現(xiàn)開啟或者關(guān)閉功能。這種輸入有一個(gè)大概的閾值，以區(qū)分邏輯低電平和邏輯高電平。使用這種非精確閾值時(shí)，電池板電壓便無法直接到達(dá)開啟狀態(tài)的輸入端。因此，我們需要使用一種具有精確閾值的外部電路。我們可以使用電源電壓監(jiān)測(cè)器，但添加器件會(huì)帶來成本和復(fù)雜度的增加。

最后，必須讓快速變化的電池板電壓慢下來，以便獲得充足的工作時(shí)間，完成規(guī)定的任務(wù)。電池板電壓從“點(diǎn)1”變到“點(diǎn)2“幾乎無需時(shí)間——理論上為零秒。這時(shí)，當(dāng)電壓從“點(diǎn)1”變到“點(diǎn)2”時(shí)，必須開啟負(fù)載電源，而負(fù)載必須完成其任務(wù)。這就要求電源擁有非常快速的開啟能力，并且能夠長(zhǎng)時(shí)間保持電池板電壓，以便完成需要執(zhí)行的任務(wù)。

最大功率點(diǎn)追蹤解決方案

我們很難找到一款單器件、低成本的解決方案。它需要使用寬電壓范圍的功率受限型太陽(yáng)能電池板輸入，同時(shí)還要能夠高效地提供穩(wěn)定的輸出電壓、快速的啟動(dòng)，并且能夠在 90% 最大功率點(diǎn)以下工作。TI TPS62125 就是一個(gè)這類器件，它可以接受高達(dá) 17V 的輸入電壓，擁有 90% 以上的工作效率，啟動(dòng)時(shí)間小于 1 ms，并且擁有一個(gè)使用精確閾值的開啟輸入引腳，其可以直接連接至太陽(yáng)能電池板電壓，以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤。這樣，便無需添加額外器件來實(shí)現(xiàn)這種功能。圖 2 顯示了一套完整的解決方案。

圖 2 脈沖負(fù)載的最大功率點(diǎn)追蹤電路

由 R1 和 R2 組成的分壓器，用于在圖 1 所示“點(diǎn)1”時(shí)開啟電源。在電源開啟以前，該器件本身會(huì)把 R2 和 R3 之間的這個(gè)節(jié)點(diǎn)一直保持在地電位。電源開啟以后，器件釋放該節(jié)點(diǎn)，R3便為分壓器的組成部分。當(dāng)太陽(yáng)能電池板電壓降至“點(diǎn)2”時(shí)，器件關(guān)閉節(jié)點(diǎn)，并再次保持 R2 和 R3 之間節(jié)點(diǎn)的低電壓。這時(shí)，電池板電壓再次開始上升，直到其達(dá)到開啟閾值為止。這樣便實(shí)現(xiàn)一種完全可編程的開啟和關(guān)閉電壓，其可用于任何太陽(yáng)能電池板。

大容量輸入電容 C3 存儲(chǔ)來自太陽(yáng)能電池板的能量，以在規(guī)定時(shí)間為負(fù)載提供功率，并且為電源啟動(dòng)供電。電池板向電源或者 C3 提供與其電壓相對(duì)應(yīng)的電流。當(dāng)電源處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，太陽(yáng)能電池板向電容提供電流。當(dāng)電源開啟時(shí)，電容和太陽(yáng)能電池板為負(fù)載提供所需電流。由于 C3 只是存儲(chǔ)能量，然后在相對(duì)較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)釋放存儲(chǔ)的能量，就此而言 C3 不失為一款低成本的電解質(zhì)電容。

所需大容量輸入電容計(jì)算方法

最大功率點(diǎn)追蹤電路設(shè)計(jì)的第一步是，確定負(fù)載的功率需求，然后根據(jù)功率要求和所選用的太陽(yáng)能電池板，計(jì)算出所需大容量輸入電容的大小。例如，假設(shè)一個(gè)遙感電路要求 250mA 電流下電壓為 3.3V(825 mW)，且供電時(shí)間為 15 ms。對(duì)于包含有測(cè)量器件、微處理器和 RF 發(fā)射器的系統(tǒng)而言，這是一種基本需求。

在確定負(fù)載的功率需求以后，我們需要計(jì)算出 C3 的要求值。首先，為負(fù)載供電所需的輸入電流可以通過方程式 1 計(jì)算得到：

VIN為圖1所示“點(diǎn)1”和“點(diǎn)2”之間的平均太陽(yáng)能電池板電壓，而η為給定輸出功率的電源效率。請(qǐng)注意，VIN 約為 7.8V 且輸出功率為 825mW 時(shí)，電源效率一般為 87% 左右。利用這些數(shù)值，可以計(jì)算得到 IIN=122mA，遠(yuǎn)大于圖 1 所示太陽(yáng)能電池板的輸出能力，因此 C3 必須存儲(chǔ)足夠的能量，以提供缺少的那部分電流，并且持續(xù)時(shí)間為 15 ms。方程式 2 根據(jù)負(fù)載要求和太陽(yáng)能電池板特性，計(jì)算出要求的 C3 值：

VP1和VP2為“點(diǎn)1”和“點(diǎn)2”之間的電壓，使用這種太陽(yáng)能電池板時(shí)，它們分別約為 9V 和 6.5V，其與放電時(shí) C3 的電壓變化相對(duì)應(yīng)。tON 時(shí)的要求負(fù)載工作時(shí)間為 15ms。最后，Ipanel(Avg) 為電池板工作在其 90% 最大功率點(diǎn)以下時(shí)，太陽(yáng)能電池板所提供的平均電流。如圖 1 所示，該電流約為 19mA。

由方程式 2，我們可以知道 C3 應(yīng)大于 618 µF。使用 680-µF 電容，可以在器件工作時(shí)提供一定的裕量。

開啟引腳分壓器計(jì)算

R1、R2 和 R3 共同形成了一個(gè)具有開啟 (EN) 引腳磁滯的完全可配置分壓器。方程式 3 和 4 用于設(shè)置電阻器值：

我們首先選擇 R1，而 1 MΩ 是一個(gè)較為合適的起始值。這樣，通過計(jì)算，可以得到 R2 為 153.8 kΩ。我們選擇最接近標(biāo)準(zhǔn)值 154 kΩ。R3 應(yīng)為 60.9 kΩ，而60.4 kΩ 是最接近標(biāo)準(zhǔn)值。

其他最大功率點(diǎn)追蹤電路配置

可使典型應(yīng)用受益的另一種可配置特性是，利用電源良好 (PG) 輸出來控制負(fù)載的開啟 (EN) 輸入。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，PG 引腳保持低電平。僅當(dāng)電源開啟且輸出電壓在調(diào)節(jié)狀態(tài)下時(shí)，上拉電阻器 R6 將其拉高。把 PG 輸出直接連接至負(fù)載EN輸入，可使負(fù)載保持關(guān)閉，直到輸入電壓升至 VP1 以上且輸出電壓高到足以正常驅(qū)動(dòng)負(fù)載為此。由于輸入電壓降至 VP2 時(shí)電源關(guān)閉，因此 PG 引腳被有源拉低，從而又讓負(fù)載關(guān)閉。這種配置，可以保證僅在其電源電壓處于調(diào)節(jié)狀態(tài)下時(shí)才開啟負(fù)載，從而避免出現(xiàn)可能會(huì)破壞負(fù)載性能或者數(shù)據(jù)的低電源電壓。

測(cè)試結(jié)果

圖 3 顯示了運(yùn)行中的最大功率點(diǎn)追蹤電路。電池板電壓 VIN 保持在 9V 和 6.5V(分別為 VP1 和 VP2)之間。一旦 VOUT 進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)，負(fù)載開啟，并且獲取 250mA 電流。當(dāng)電池板電壓降至 6.5V 時(shí)，VOUT 關(guān)閉，并從而關(guān)閉負(fù)載電流。太陽(yáng)能電池板始終提供19mA的平均電流。圖 3 中，負(fù)載擁有約 18ms 的運(yùn)行時(shí)間，可以滿足 15ms 要求。該運(yùn)行時(shí)間并未與上述計(jì)算結(jié)果完全一致，而 C3 值有所增加，超出了計(jì)算結(jié)果。

圖 3 90% 最大功率點(diǎn)以下工作的最大功率點(diǎn)追蹤電路

圖 4 用來自 C3 的電流 ICap 的軌跡線，代替圖 3 所示輸出電壓軌跡線。VIN下降時(shí)，來自電容的電流為正—電容向電源提供其存儲(chǔ)能量，之后負(fù)載獲得該能量。一旦負(fù)載關(guān)閉，由于電池板電壓降至 6.5V，并且電源關(guān)閉，C3 提供的電流變?yōu)樨?fù)—電容通過電池板再充電，為下一個(gè)周期存儲(chǔ)能量。電池板電壓足夠高的情況下，當(dāng)電源開啟時(shí)，來自 C3 的電流在負(fù)載開啟以前出現(xiàn)短暫尖峰。啟動(dòng)期間，需要 C3 提供更多的輸入電流。

圖 4 90% 最大功率點(diǎn)以下工作的電路的大容量輸入電容 (C3)

結(jié)論

本文論述了一款簡(jiǎn)單且低成本的太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)追蹤電路，其適用于脈沖負(fù)載系統(tǒng)，例如：通過 RF 發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)的遙測(cè)系統(tǒng)。另外，我們還可以對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)配置，用于任何太陽(yáng)能電池板和脈沖負(fù)載系統(tǒng)。