安森美NCP1294太陽能充電控制器及其設(shè)計要點

　　補償網(wǎng)絡(luò)

　　要創(chuàng)建一個穩(wěn)定的電源，誤差放大器周圍的補償網(wǎng)絡(luò)必須配合PWM發(fā)生器和功率級使用。由于功率級設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)應(yīng)用設(shè)置的，補償網(wǎng)絡(luò)必須有正確的整體輸出，以確保穩(wěn)定性。NCP1294是一個電壓模式電壓前饋器件，因此需要一個采用輸入電壓修改斜坡的電壓環(huán)路。功率級的輸出電感和電容可形成一個雙極點，環(huán)路必須為此進行補償。

　　系統(tǒng)開啟和電池電流消耗

　　正在創(chuàng)建的系統(tǒng)連接了兩個有限源，將在一天的不同時間為負(fù)載供電，如果是在同一時間將不會供電，除了短暫時間。該系統(tǒng)并不完整，沒有安裝電池和太陽能電池板，因此，有利于電池負(fù)載和太陽能電池板源存在與否的檢測。例如，如果沒有連接電池，在提供電池電壓時，它不會消耗太陽能電池板的能量。如果連接了太陽能電池板，為了尋找要連接的太陽能電池板，電池將被耗盡。檢查太陽能電池板連接和電池連接的一個簡單解決方案是使用低電流消耗比較器。

　　在白天時間系統(tǒng)對電池充電，而在夜間電池放電照亮定義的空間。雖然輸入能量不能保證，但輸出能量可在相當(dāng)長的時間保持不變。如果一個系統(tǒng)的大小不合適，電池可能因放電而損壞。要防止電池?fù)p壞，必須用LED電路抑制操作，防止電池耗盡。

　　輸入和輸出電流的平衡

　　當(dāng)構(gòu)建一個理想的太陽能控制器時，控制器應(yīng)保護電池或負(fù)載，同時從太陽能電池板提取最大的能量。不幸的是，在現(xiàn)實世界中顧客或安裝人員可能會購買一個大型太陽能電池板和一個小電池。如果太陽能控制器是在峰值功率下充電，電池充電速度過快，會縮短電池壽命或可能發(fā)生爆炸。控制器應(yīng)該做的是管理電池需求，根據(jù)太陽能電池板提供的峰值功率來平衡充電速度。因此，最大電池充電速率的設(shè)定和選擇方案是需要確定如何限制系統(tǒng)的輸出電流。電流的設(shè)定是通過NCP1294所提供3.3V基準(zhǔn)和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)完成的。短接一個或多個轉(zhuǎn)接口(header)將實現(xiàn)不同的電流限制值。

　　反極性保護

　　除了正常的太陽能電池板瞬態(tài)，還有四種不同的輸入輸出連接可能性。第一種情況，輸入和輸出連接正確，無需保護。第二種情況，輸入電壓反向連接。如果在這種情況下允許電流流過，那么所有輸出二極管都可能損壞。

　　不過，在圖5所示B或C的輸入端串聯(lián)一個二極管就可以保護所有器件。串聯(lián)二極管的一個缺點是，它會連續(xù)耗散系統(tǒng)功率。如果反向極性保護二極管放在高電流系統(tǒng)中，損耗可能會很大。實施反極性保護的另一種方法是放置一個二極管，例如，當(dāng)施加反向電壓時它會使保險絲開路，如圖5 D所示。選擇的保險絲可以是一個用戶可更換或波利熱熔斷器。保險絲可以提供必要的保護，但可能導(dǎo)致不太好的用戶體驗。實現(xiàn)二極管反向極性保護的低損耗方式是使用MOSFET，當(dāng)施加的電壓極性正確時MOSFET導(dǎo)通，而在電壓極性不正確時關(guān)閉。圖5 E所示。

　　圖5：反極性的輸入端連接

　　在第三種情況下，輸出是反極性連接，輸入是正確連接，功率元件可能會損壞。由于源假定為鉛酸電池，保護至關(guān)重要，因為損壞的元件可能消耗大量的能量。圖5 B顯示了防止反向輸出電壓的方法之一。

　　最后一種情況是輸入和輸出的連接都不正確。在這種情況下，如果設(shè)計人員實施了第二和第三種保護，輸入和輸出都將受到保護。設(shè)計人員不應(yīng)忽略電壓抑制器，它安裝在瞬態(tài)電壓的輸入端，其極性可能正確或不正確。因此，重要的是要有雙向瞬態(tài)抑制器，能夠承受正常反極性電壓而不會損壞。

　　電池充電

　　鉛酸電池充電有三個階段：恒流充電或大電流充電、吸收或恒壓模式，以及浮充電。在大電流充電期間，電流保持恒定，這是由NCP1294脈沖電流限制和電流設(shè)置電路的脈沖完成的。除非最大功率點低于這個水平，電流都將保持在設(shè)計人員或用戶設(shè)定的充電速率，此時將充電到最大功率點調(diào)整率。

　　OOV比較器

　　NCP1294配備了一個OOV比較器，可以監(jiān)測輸出電池電壓，以確定是否反饋機制已損壞，或遠程檢測受到超過電池溫度補償?shù)碾姵仉妷旱挠绊?。?dāng)斷開OOV時系統(tǒng)關(guān)閉。比較器可用在系統(tǒng)輸入或系統(tǒng)輸出，但推薦用作輸出的故障安全機制。當(dāng)使用單電池系統(tǒng)時，可以使用18V的觸發(fā)點(trip point)或基于充電狀態(tài)設(shè)置觸發(fā)點。如果使用浮動電壓狀態(tài)，需要設(shè)置15 V為觸發(fā)電壓。

　　OUV功能

　　NCP1294的欠壓鎖定功能(OUV)功能可監(jiān)測轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，以確定是否輸入電壓水平會導(dǎo)致熱問題。OUV可以獨立監(jiān)測輸入電壓，以確保輸入電壓在理想水平，從而提供最大輸出功率。

　　OTP功能

　　由于太陽能控制器可能以不恰當(dāng)?shù)姆绞绞褂?，建議對降壓主開關(guān)的溫度進行監(jiān)測，以確定它是否超過了最高溫度水平。如果主MOSFET的溫度已超過了適當(dāng)?shù)乃?，過溫保護(OTP)可以抑制電流以減少系統(tǒng)功耗。

　　熱管理

　　NCP1294是一個低功耗器件。一旦確定了IC功耗，設(shè)計人員可以計算出所需的熱阻抗，以保持最差環(huán)境溫度下指定的結(jié)溫。太陽能控制器的熱性能受PCB布局影響很大。在設(shè)計過程中應(yīng)格外小心，以確保IC和電源開關(guān)在建議的環(huán)境條件下工作。任何電源設(shè)計都應(yīng)進行適當(dāng)?shù)膶嶒炇覝y試，以確保在最差工作條件下設(shè)計所需的功耗。在測試過程中考慮的變量應(yīng)包括最高環(huán)境溫度、最小氣流、最大輸入電壓、最大負(fù)載和元件變化(即最差情況下MOSFET的RDSON)。

　　太陽能電池板

　　NCP1294評估板支持的太陽能電池板在5 W和120 W之間。這里考慮的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)類型的太陽能電池板。最常見類型的太陽能電池是晶體硅，它有兩種主要類型：單晶硅和多晶硅。單晶硅能效最高，但生產(chǎn)也比較昂貴，通常僅限于商業(yè)和住宅應(yīng)用。非晶太陽能電池板由涂覆在不銹鋼或類似材料上的熔融硅薄膜構(gòu)成。晶體結(jié)構(gòu)非常脆弱，通常夾在兩片玻璃之間，以利于保護。單晶硅的效率為18%，多晶硅為15%，非晶態(tài)為10%。

　　圖6：太陽能控制器電路板

　　利用這個功能豐富而靈活的解決方案，工程師可以根據(jù)不同太陽能電池板的要求開發(fā)出適用的產(chǎn)品，讓最終用戶享用到先進半導(dǎo)體技術(shù)帶來的便利和更好的使用體驗。