高能效太陽(yáng)能充電控制器設(shè)計(jì)實(shí)例

中心議題：

• 了解增強(qiáng)型電壓模式 PWM 控制器
• 認(rèn)識(shí)動(dòng)態(tài) MPPT 工作原理
• 學(xué)習(xí)前饋電壓模式控制

解決方案：

• 應(yīng)用NCP1294 太陽(yáng)能充電控制器

眾所周知，太陽(yáng)能電池板有一個(gè)IV 曲線，它表示該太陽(yáng)能電池板的輸出性能，分別代表著電流電壓數(shù)值。兩條線的交叉點(diǎn)表示的電壓電流就是這塊太陽(yáng)能電池板的功率。不利的是，IV曲線會(huì)隨輻照度、溫度和使用年限而變化。輻照度是給定表面輻射事件的密度，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特?cái)?shù)表示。如果太陽(yáng)能電池板沒(méi)有機(jī)械式陽(yáng)光追蹤能力，一年中輻照度會(huì)隨著太陽(yáng)的移動(dòng)變化約±23度。此外，每天從地平線到地平線太陽(yáng)移動(dòng)的輻照度變化，可導(dǎo)致輸出功率在一整天的變化。為此，安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了一款太陽(yáng)能電池控制器NCP1294，用來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的最大峰值功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。本文將介紹該器件的一些主要功能和應(yīng)用時(shí)需要注意的問(wèn)題。

增強(qiáng)型電壓模式 PWM 控制器

NCP1294 是一款固定頻率電壓模式 PWM 前饋控制器，包含電壓模式運(yùn)作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電控制器，NCP1294 針對(duì)高頻初級(jí)端控制操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高達(dá) 140 W 的太陽(yáng)能板。這款器件提供的 MPPT功能能夠定位最大功率點(diǎn)，并實(shí)時(shí)根據(jù)環(huán)境條件來(lái)調(diào)節(jié)，使控制器保持接近最大功率點(diǎn)，從而從太陽(yáng)能板析取最大的電量，提供最佳的能效。

此外，NCP1294 還具有軟啟動(dòng)、精確控制占空比限制、低于 50 μA 的啟動(dòng)電流、過(guò)壓和欠壓保護(hù)等功能。在太陽(yáng)能應(yīng)用中，NCP1294 可以作為一種靈活的解決方案，用在模塊級(jí)電源管理（MLPM）解決方案。基于 NCP1294 的參考設(shè)計(jì)最大功率點(diǎn)追蹤誤差小于 5%，可以為串聯(lián)或并聯(lián)的四個(gè)電池充電。圖 1 是NCP1294 120 W 太陽(yáng)能控制器框圖。

圖 1：安森美半導(dǎo)體的 NCP1294 120 W 太陽(yáng)能控制器框圖

如圖 1 所示，該系統(tǒng)的核心是功率段，它必須承受 12 V 至 60 V 的輸入電壓，并產(chǎn)生 12 V 至 36 V 的輸出。由于輸入電壓范圍覆蓋了所需的輸出電壓，必須有一個(gè)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)支持應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員可以選擇多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：SEPIC、非反相降壓-升壓。反激式、單開(kāi)關(guān)正激、雙開(kāi)關(guān)正激、半橋、全橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)工作包括根據(jù)功率需求的增加隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電池充電狀態(tài)的管理是由適當(dāng)?shù)某潆娝惴ㄍ瓿傻摹Ｌ?yáng)能電池板安裝技師可以選擇輸出電壓和電池充電速率。由于控制器要連接到太陽(yáng)能電池板，它必須具有最大功率點(diǎn)跟蹤，為最終客戶提供高價(jià)值?？刂破饔袃蓚€(gè)正使能(Enable)電路，一個(gè)電路檢測(cè)黑夜時(shí)間，另一個(gè)檢測(cè)電池的充電狀態(tài)，使外部電路不會(huì)使電池對(duì)損壞點(diǎn)放電。由于控制器將由不同程度經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和新手安裝，因此重要的是輸入和輸出必須有反向極性保護(hù)。另外，控制器和電池可能安裝在過(guò)熱或過(guò)冷的位置，控制器必須采用電池充電溫度補(bǔ)償。設(shè)計(jì)還應(yīng)包括安全功能，如電池過(guò)壓檢測(cè)和太陽(yáng)能電池板欠壓檢測(cè)。

動(dòng)態(tài) MPPT 工作原理

為了從功率可變的電源(即太陽(yáng)能電池板)析取出最大的功率，太陽(yáng)能控制器必須采用 MPPT。MPPT 必須首先找到最大功率點(diǎn)并及時(shí)調(diào)整環(huán)境條件，以保持控制器接近最大功率點(diǎn)。動(dòng)態(tài) MPPT 用在系統(tǒng)發(fā)生改變的情況下。由于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都在發(fā)生變化，太陽(yáng)能電池板汲取的功率也會(huì)在每個(gè)周期有明顯的改變。動(dòng)態(tài)MPPT利用太陽(yáng)能電池板的電壓驟降乘以每個(gè)開(kāi)關(guān)周期增加的電流，以確定將要產(chǎn)生的誤差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)占空比。動(dòng)態(tài)響應(yīng)可檢測(cè) IV 曲線的斜率，從而建立一個(gè)功率斜坡，從誤差信號(hào)相交點(diǎn)建立一個(gè)代表占空比的功率。當(dāng)斜坡變化斜率從正到負(fù)時(shí)該周期結(jié)束，如圖 2 所示。

圖 2：PWM 穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的電壓和電流

前饋電壓模式控制

在傳統(tǒng)電壓模式控制中，斜坡信號(hào)有一個(gè)固定的上升和下降斜率。反饋信號(hào)僅來(lái)自輸出電壓。因此，電壓模式控制線路穩(wěn)壓效果較差，且具有音頻易感性。前饋電壓模式控制源于斜坡信號(hào)輸入線路。因此，斜坡的斜率隨輸入電壓而變化。前饋功能也可以提供一個(gè)伏秒鉗位，這就限制了輸入電壓和導(dǎo)通時(shí)間的最大乘積值。電路中的鉗位電路，如正激和反激式轉(zhuǎn)換器可用來(lái)防止變壓器飽和。

NCP1294 太陽(yáng)能充電控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)流程

當(dāng)選擇太陽(yáng)能控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，重要的是要了解轉(zhuǎn)換器的基本操作及其局限性。選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非反相四開(kāi)關(guān)非同步降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器利用來(lái)自 NCP1294 的控制信號(hào)運(yùn)行，Q1 和 Q2 同時(shí)導(dǎo)通為 L1 充電。四開(kāi)關(guān)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 3 所示，其中的電感器用來(lái)控制電壓和電流。

圖 3：四開(kāi)關(guān)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

四開(kāi)關(guān)非反相降壓-升壓有兩種操作模式，即降壓模式和降壓-升壓模式。在降壓模式下，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸入電壓脈沖，它經(jīng)過(guò) LC 濾波來(lái)產(chǎn)生一個(gè)較低的直流輸出電壓。輸出電壓可以通過(guò)修改相對(duì)于開(kāi)關(guān)周期或開(kāi)關(guān)頻率的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)改變。

如果輸出電壓可能達(dá)到 1％至 89％，太陽(yáng)能控制器即運(yùn)行在降壓模式。如果由于占空比的限制而無(wú)法達(dá)到該輸出電壓，它會(huì)切換到降壓-升壓模式，此時(shí)即可達(dá)到該輸出電壓。從 89％到較低占空比的變化，如圖 4 所示。

圖 4：多個(gè)電池降壓和升壓模式之間的傳遞比

需要注意的是，當(dāng)轉(zhuǎn)換器模式從降壓到降壓-升壓切換時(shí)，誤差信號(hào)將需要一段時(shí)間來(lái)改變占空比。模式的瞬時(shí)變化將使降壓-升壓轉(zhuǎn)換器試圖在 89％占空比進(jìn)行切換，并試圖轉(zhuǎn)換至 47%；這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器試圖在失衡區(qū)(trade over region）輸出 130 V 的結(jié)果。NCP1294 通過(guò)脈沖電流限制器提供了一個(gè)脈沖，可以阻止轉(zhuǎn)換器能量達(dá)到危險(xiǎn)的程度，在占空比條件下實(shí)現(xiàn)緩和過(guò)渡。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的電源，誤差放大器周?chē)难a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須配合 PWM 發(fā)生器和功率級(jí)使用。由于功率級(jí)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)應(yīng)用設(shè)置的，補(bǔ)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(gè)電壓模式電壓前饋器件，因此需要一個(gè)采用輸入電壓修改斜坡的電壓環(huán)路。功率級(jí)的輸出電感和電容可形成一個(gè)雙極點(diǎn)，環(huán)路必須為此進(jìn)行補(bǔ)償。

系統(tǒng)開(kāi)啟和電池電流消耗

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

在白天時(shí)間系統(tǒng)對(duì)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(zhǎng)的時(shí)間保持不變。如果一個(gè)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(gè)理想的太陽(yáng)能控制器時(shí)，控制器應(yīng)保護(hù)電池或負(fù)載，同時(shí)從太陽(yáng)能電池板提取最大的能量。不幸的是，在現(xiàn)實(shí)世界中顧客或安裝人員可能會(huì)購(gòu)買(mǎi)一個(gè)大型太陽(yáng)能電池板和一個(gè)小電池。如果太陽(yáng)能控制器是在峰值功率下充電，電池充電速度過(guò)快，會(huì)縮短電池壽命或可能發(fā)生爆炸?？刂破鲬?yīng)該做的是管理電池需求，根據(jù)太陽(yáng)能電池板提供的峰值功率來(lái)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(guò) 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(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)接口（header）將實(shí)現(xiàn)不同的電流限制值。

反極性保護(hù)

除了正常的太陽(yáng)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(wú)需保護(hù)。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(guò)，那么所有輸出二極管都可能損壞。

不過(guò)，在圖 5 所示 B 或 C 的輸入端串聯(lián)一個(gè)二極管就可以保護(hù)所有器件。串聯(lián)二極管的一個(gè)缺點(diǎn)是，它會(huì)連續(xù)耗散系統(tǒng)功率。如果反向極性保護(hù)二極管放在高電流系統(tǒng)中，損耗可能會(huì)很大。實(shí)施反極性保護(hù)的另一種方法是放置一個(gè)二極管，例如，當(dāng)施加反向電壓時(shí)它會(huì)使保險(xiǎn)絲開(kāi)路，如圖 5 D 所示。選擇的保險(xiǎn)絲可以是一個(gè)用戶可更換或波利熱熔斷器。保險(xiǎn)絲可以提供必要的保護(hù)，但可能
導(dǎo)致不太好的用戶體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)二極管反向極性保護(hù)的低損耗方式是使用MOSFET，當(dāng)施加的電壓極性正確時(shí) MOSFET 導(dǎo)通，而在電壓極性不正確時(shí)關(guān)閉。圖5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(huì)損壞。由于源假定為鉛酸電池，保護(hù)至關(guān)重要，因?yàn)閾p壞的元件可能消耗大量的能量。圖5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(jì)人員實(shí)施了第二和第三種保護(hù)，輸入和輸出都將受到保護(hù)。設(shè)計(jì)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(huì)損壞。

電池充電

鉛酸電池充電有三個(gè)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(diǎn)低于這個(gè)水平，電流都將保持在設(shè)計(jì)人員或用戶設(shè)定的充電速率，此時(shí)將充電到最大功率點(diǎn)調(diào)整率。

OOV 比較器

NCP1294 配備了一個(gè) OOV 比較器，可以監(jiān)測(cè)輸出電池電壓，以確定是否反饋機(jī)制已損壞，或遠(yuǎn)程檢測(cè)受到超過(guò)電池溫度補(bǔ)償?shù)碾姵仉妷旱挠绊?。?dāng)斷開(kāi)OOV 時(shí)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(jī)制。當(dāng)使用單電池系統(tǒng)時(shí)，可以使用 18V 的觸發(fā)點(diǎn)(trip point)或基于充電狀態(tài)設(shè)置觸發(fā)點(diǎn)。如果使用浮動(dòng)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(cè)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，以確定是否輸入電壓水平會(huì)導(dǎo)致熱問(wèn)題。OUV 可以獨(dú)立監(jiān)測(cè)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(yáng)能控制器可能以不恰當(dāng)?shù)姆绞绞褂?，建議對(duì)降壓主開(kāi)關(guān)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定它是否超過(guò)了最高溫度水平。如果主 MOSFET 的溫度已超過(guò)了適當(dāng)?shù)乃?，過(guò)溫保護(hù)(OTP)可以抑制電流以減少系統(tǒng)功耗。

熱管理

NCP1294 是一個(gè)低功耗器件。一旦確定了 IC 功耗，設(shè)計(jì)人員可以計(jì)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(yáng)能控制器的熱性能受 PCB布局影響很大。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)格外小心，以確保 IC 和電源開(kāi)關(guān)在建議的環(huán)境條件下工作。任何電源設(shè)計(jì)都應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室測(cè)試，以確保在最差工作條件下設(shè)計(jì)所需的功耗。在測(cè)試過(guò)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(yáng)能電池板

NCP1294 評(píng)估板支持的太陽(yáng)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(lèi)型的太陽(yáng)能電池板。最常見(jiàn)類(lèi)型的太陽(yáng)能電池是晶體硅，它有兩種主要類(lèi)型：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч?。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(yáng)能電池板由涂覆在不銹鋼或類(lèi)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(hù)。單晶硅的效率為18％，多晶硅為 15％，非晶態(tài)為 10％。

圖 6：太陽(yáng)能控制器電路板

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