工程師的太陽能電池板電池充電器設計全過程

我們渴望舒服一點的條件是，一個基于水霧系統(tǒng)而讓人涼快的解決方案，以克服困擾這片沙漠的干熱空氣。這可以用一臺由電壓源供電、連著一個帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實現(xiàn)。噴霧系統(tǒng)的成功要素是電源，這個電源也可以用來給 LED 燈供電，以供夜間照明，或者給其它需要電源的外部設備充電。我們的計劃是，用太陽能電池板給一個海上用的深周期電池充電，然后用這塊電池給其它所有東西供電。隨即，我開始了太陽能電池板電池充電器的設計。

我有 3 周時間完成設計。我向朋友 Simon 請求幫助，Simon 以前用凌力爾特公司的 IC 搞過太陽能供電設計。除了一臺顯示工作原理的樣機，Simon 還給了我一份原理圖，這臺樣機從未連上太陽能電池板測試過，但在實驗室做過仿真。我很興奮，有興趣用真實的太陽能電池板測試這個設計，我們準備對樣機進行像樣的測試。

一位朋友借給我兩塊 BP 太陽能電池板 (BP380U)。在大約 20V 最高輸出電壓和 4A 最大輸出電流時，每塊電池板的峰值功率都是 80W (實際規(guī)格為，在 80W 最大功率時，電壓為 17.6V,電流為 4.55A)。把這兩塊太陽能電池板合起來，我希望在太陽光直接直射在電池板上時，在峰值條件下能有 8A 的總電流。太陽能電池板連接到 Simon 的樣機上沒有幾分鐘，系統(tǒng)就充分運轉了 (圖 1 和圖 2)。通過對樣機的初步測試，查明了幾個故障，后來這給我們節(jié)省了大量時間。

圖 1:測試 BP 太陽能電池板， BP380U (0 至 20V 輸出，4A 峰值功率 80W)

圖 2:最初的太陽能充電電路樣機，采用 12V 海上用深周期電池 .

樣機運行良好，因此我購買了幾塊凌力爾特公司的演示板，并稍作修改以使其更適合重新設計過的系統(tǒng)規(guī)格要求。我保持樣機作為備份和參考，同時我設計了一個新系統(tǒng)。我們解決了一些故障后，通過這些修改改善了原來的樣機?？傊?，架構設計仍然是相同的：用 0 至 20V 的太陽能電池板，以 4A 的恒定電流給一個 12V 的電池充電。

太陽能電池充電器系統(tǒng)設計

用這些演示板忙活幾天之后，我成功地完成了一個產生預期效果的設計，這設計將適合我們這次旅程。系統(tǒng)的方框圖如圖 3 所示，該圖顯示了一些 IC 和演示板功能。系統(tǒng)的照片如圖 4 所示，顯示了完整的太陽能電池板電池充電器單元。

圖 3:系統(tǒng)設計方框圖

圖 4:最終的太陽能充電器電路

視太陽的位置不同而不同，太陽能電池板最初的輸出電壓在 0V 到 20V 之間變化，那么就用一個能接受這么寬輸出范圍的穩(wěn)壓器，并保持吸取低的電流 (每個電池板上的輸入電流最大值都是 4A)，同時調節(jié)一個固定的輸出電壓。這是在 DC1198A-B 演示板上用凌力爾特公司的微型模塊 (μModule) DC/DC 降壓-升壓型開關穩(wěn)壓器 LTM4607 實現(xiàn)的。

LTM4607 是一個小型 LGA 封裝 (15mm x 15mm x 2.8mm) 的芯片，其中包括一個復雜的降壓-升壓型 DC/DC 開關穩(wěn)壓器所需的所有支持控制組件。復雜的開關控制電路和 FET 內置到微型模塊穩(wěn)壓器中，從而使該器件非常容易使用。結果是僅需一個微型模塊穩(wěn)壓器、電感器以及幾個電容器和電阻器就完成簡潔規(guī)則的布局。4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍至固定 20V 輸出 (范圍為 0.8V 至 24V) 對于太陽能電池板的特性 (0 至 20V 輸出) 正合適，而且該器件能加載高達 5A 的升壓模式和 10A 的降壓模式。在太陽能電池板峰值功率時，20V 輸入至 20V/2.5A 輸出的效率是 91%,而且積極利用了降壓-升壓型寬范圍輸入的好處。就這個系統(tǒng)設計的目的而言，輸出調節(jié)到 20V,用這個輸出給 LTC1435/LT1620 高效率、低壓差電池充電器系統(tǒng)供電。

在 14V 穩(wěn)定電壓時，LTC1435/LT1620 演示板 (DC133A) 將充電電流控制到穩(wěn)定的 4A.該演示板與 LT1620 數(shù)據(jù)表第一頁上的應用電路類似，我將 FB 電阻器 (110k) 換成一個可變電位器，以實現(xiàn)輸出電壓調節(jié)，并將電池浮置電壓設置到 14V.該演示板設計利用 LT1620 軌至軌電流檢測放大器，結合 LTC1435 開關穩(wěn)壓器電路的高效率和低壓差能力，形成了一個效率超過 95% 的電池充電器，從而在 4A 充電電流時僅需要 0.5V 輸入至輸出電壓差。一個到地的編程電流設置電池充電電流 (4A)，該電池充電電流一直是穩(wěn)定的，直到電池電壓達到預設的浮置電壓 (在本文情況下為 14V) 為止。隨著電池達到其滿充電狀態(tài)，電路的編程將自動轉入涓流充電狀態(tài)，并就電池的輸出電壓而言緩慢降低充電電流。這減輕了由于恒定過沖電給電池造成的壓力。

一個理想二極管電路設計與 DC133A 充電系統(tǒng)的輸出串聯(lián)，利用 LTC4414 實現(xiàn)電路保護，并允許在充電電路以最小損耗運行的同時使用電池。這種自動電源通路 (PowerPath?) 控制使外部設備能夠自由地用太陽能電池板或電池供電。當太陽能電池板功率不足時，電路自動轉為從電池吸取功率。該電路設計與 LTC4414 數(shù)據(jù)表第九頁上的圖 2 類似。LTC4414 (8 引線 MSOP 封裝) 控制一個外部 P 溝道 MOSFET,以產生接近理想的二極管功能，用于電源切換。這允許多個電源高效率進行"或" 操作;在本文情況下，電源是太陽能電池板和電池。當連接一個外部設備時，電池和充電系統(tǒng)接受負載狀態(tài)。在無負載時，將對電池充電。因此該設計允許一起使用太陽能電池板和電池供電，同時運行電池充電過程。這一部分沒有演示板可用，因此我按照定制電路板上的應用電路進行設計。

電流檢測系統(tǒng)與電池串聯(lián)，利用并聯(lián)檢測電阻器測量電池的輸入充電電流和輸出放電電流，而無需斷開電路。圖 3 的方框圖僅說明了輸入充電電流。LTC6103 (采用 8 引線 MSOP 封裝，在 4V 至 60V 范圍內工作) 是一個雙路獨立電流檢測放大器，可通過外部檢測電阻器監(jiān)視電流。該器件以 mV 為單位測量和提供電池充電和放電電流的電流比率輸出。在本文情況下，它幫助指示電池充和放了多少電量。這是一種以低功率損耗讀取電流的方法，這對保持一個高能效系統(tǒng)至關重要。我略微調節(jié)了 LTC6103 (DC1116A) 演示板以實現(xiàn)這一點。引腳 8 和 7 分別與進入電池的電流通路 +IN_A 和 -IN_A 串聯(lián)。這將提供進入電池的充電電流。引腳 6 和 5 相互掉換后反著連接，以測量電池放電電流通路，+IN_B (引腳 5) 連接到 -IN_A (引腳 7)，-IN_B (引腳 6) 連接到 +IN_A (引腳 8)。電阻器的值以 10 為倍數(shù)改變和調節(jié)，以便在 0.1Ω 并聯(lián)檢測電阻器與電路串聯(lián)時，輸出以 100mV/A 變化。圖 5 中的萬用表顯示整個系統(tǒng)的結果。太陽能電池板輸出電壓是 17.11V,電池電壓為 12.95V,充電電流是 3.58A.

圖 5:萬用表顯示 17.11V 太陽能電池板輸出，12.95V 電池充電電壓;3.58A 電池充電電流

ADC 和微控制器讀數(shù)

我決定，每次檢查電路是否正常運行時不使用電壓表，因為電壓表在沙漠中難以攜帶。為了避免攜帶多個萬用表，我用一個微控制器和 ADC 來讀取系統(tǒng)的電壓值，并在一般的 LCD 顯示屏上顯示信息。這種方法可就電路性能提供實時數(shù)據(jù)，而無需連接幾個萬用表。我使用 DC590B 演示板和 LTC2418 8信道 / 16 信道 24 位 ADC 演示板 DC571A.我的同事 Mark Thoren 給了我 PIC 微控制器的嵌入式源代碼樣本，我微調了這個源代碼樣本，以跨 LTC2418 上 ADC 的不同通道對電壓采樣，并以可接受的分辨率、準確地讀出 mV 范圍的電壓值。既然基準電壓的最大范圍是 2.5V,那么我用一種電壓分壓器方法來按比例將電壓降低到 mV 范圍，以在 ADC 上實現(xiàn)正確的測量。通道連接到單個有關的輸入和輸出電壓上，包括電流檢測電壓。這么做非常成功，無需多個萬用表。圖 6 是一個有關這個 LCD 顯示屏的全功能系統(tǒng)的例子。我在 LCD 上得到的最后的顯示提供了有關以下電壓的信息：變化的太陽能電源電壓 Vs、充電電路電壓 Vc、電池電壓 Vb、以及電池上的輸入充電/放電電流 C 和 D.在本文情況下，是"C",它在充電。放電時，程序將改變到"D".

圖 6:LCD 讀數(shù)：Vs (太陽能電池板電壓);Vc (充電電路電壓);Vb (電池電壓);C = 充電電流 (4.3A)，

用DC590B PIC 微控制器控制;用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 讀取電壓，該演示板由 LTM4601 演示板 DC1041A 微型模塊降壓型穩(wěn)壓器供電。

注意，DC590B 演示板不是靠 12V 軌供電，而是靠 5V 軌供電。需要一個降壓型穩(wěn)壓器將電壓從電池的 12V 降低到 5V.這個降壓型穩(wěn)壓器將必須是高效率的，因為電源將來自太陽能電池板和電池，我不想因運行 LCD 顯示屏和微控制器而耗費大量功率。我使用 LTM4601 微型模塊 DC/DC 開關穩(wěn)壓器演示板 DC1041A.

LTM4601 是一個 LGA 封裝的 15mm x 15mm x 2.8mm 微型模塊 DC/DC 開關穩(wěn)壓器，在 12A 最大負載電流時，輸入為 4.5V 至 20V,輸出為 0.6V 至 5V.LTM4601 的設計使得非常容易從 12V 電池提供一個穩(wěn)定的 5V 輸出。該微型模塊包括所有控制支持組件，如電阻器、電容器、MOSFET 和電感器。在這個系統(tǒng)中，效率大約為 90%,使用最小的電池電流，極大地延長了電池壽命。更容易的是，輸出電壓用一個電阻器設置，如果我需要一個不同的電壓軌 (例如 3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V)，那么在演示板上用一條跨接線可以非常容易地改變這個輸出電壓。

總之，兩塊 BP 太陽能電池板，每塊在 4A 電流時都有 0 至 20V 的輸出，這兩塊太陽能電池板由 20V 輸出的 LTM4607 降壓/升壓型微型模塊開關穩(wěn)壓器調節(jié)，然后再到 14V 輸入的 LTC1435/LT1620 電池充電器，通過一個理想二極管 MOSFET 控制器 LTC4414、一個串聯(lián)的電流檢測放大器 LTC6103,最終進入電池;以穩(wěn)定的 4A 電流充電。在這個設計中，由 LTC2418 在不同的級獲取 ADC 讀數(shù)，并將讀數(shù)送至由 LTM4601 微型模塊開關穩(wěn)壓器供電的 DC590B 演示板微控制器，以在 LCD 上顯示結果。圖 7 顯示正在運行的整個系統(tǒng)。

圖 7:運行中的整個系統(tǒng)設計

噴霧系統(tǒng)的機械設計

有了一個正常工作的太陽能充電器和穩(wěn)定的 12V 輸出，我就準備好著手組裝噴霧系統(tǒng)了。去一趟五金店就得到了我需要的材料：艙底污水泵、水龍帶連接器、水龍帶夾具、轉接器和噴霧系統(tǒng)。水龍帶長約 15 英尺，擰在轉接器螺釘上，用水龍帶夾具固定到水泵上，噴霧系統(tǒng)固定在末端，有 5 個噴霧嘴。底艙污水泵靠最大值為 12V 的電壓運行，水壓可以通過降低電壓來控制。

為了實現(xiàn)靈活性，我安裝了一個穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可以接受 12V 輸入，并將輸入轉換成可變的 12V 輸出。這要求 LTM4607 設計有降壓/升壓特性。該器件使用一個反饋電阻器控制輸出電壓。一個 50k 的可變旋鈕電位器取代了電阻器，從而非常容易控制 0.8V 至 12V 的輸出。還串聯(lián)了一個 5.62k 的電阻器，以限制輸出電壓，保持輸出低于 15V.該設計通過旋轉一個旋鈕實現(xiàn)了水壓控制。

然后，我就可以測試我的全功能噴霧系統(tǒng)了。結果，水泵導致最大約 6A 的電池放電電流，這意味著，在峰值輸出時，水泵約從每塊太陽能電池板獲得 4A 電流?？刂扑盟俣群蛪毫Φ暮锰幨?，我可以將壓力降到足夠低，以降低電池的放電電流，并全部靠太陽能電池板運行水泵，以節(jié)省電池電量，這樣做非常有效。通過這種方法，我們能夠在營地全天運行噴霧系統(tǒng)，而不必擔心電池放電，耽誤夜間用于 LED 照明系統(tǒng)。

LED 照明

隨著電源的完成，我就可以增加電路，在晚上高效率地提供照明了。LED 足夠亮，可以照亮房間，這在以前是不可想象的，但是新的技術進步已經(jīng)為 LED 照明的新時代創(chuàng)造了條件。尤其是，Philips Lumileds Luxeon LED 在 1000mA 時可以提供超過 100 流明的光。我配備了一個 LumiLED 陣列，使用 LTC3475 (16 引線 TSSOP 耐熱增強型封裝) 雙路 1.5A 恒定電流 LED 驅動器 DC923A 演示板。它設計成用一個寬范圍輸入電壓 (4V 至 30V) 驅動兩個信道，每個信道 1.5A.12V 電池直接連接到演示板的輸入，為每個通道 3 個串聯(lián)的 LED 燈供電，當兩個通道都接通時，總共有 6 個 LED.這些 LED 出奇地亮，用一塊柔光布遮上時，足夠照亮我們整個營地。晚上的放電電流全部來自電池，因為太陽能電池板夜間提供零電力。以 2A 的總放電電流，可以整晚為這些燈供電。到接近中午或偏下午時，電池再次充滿電，為給噴霧系統(tǒng)供電做好了準備，在早午餐后，噴霧系統(tǒng)就可以讓我們感到?jīng)鏊恕?/p>

用于外部設備的點煙器適配器

我們的通信無線電收發(fā)報機在大量使用以后需要充電，因為蜂窩電話接收不到信號。我們使用的無線電收發(fā)報機有一個汽車適配器插頭，可通過點煙器充電。為了快速充電，我增加了一個連接到電池的 12V 點煙器內孔適配器，專門用于該汽車適配器插頭。這證明很有用，因為電池充電一次僅持續(xù)幾個小時，所以我們需要經(jīng)常給我們的無線電收發(fā)報機充電。圖 8 顯示的是，通過連接到 12V 電池輸出的點煙器給無線電收發(fā)報機充電。

圖 8:通過汽車點煙器在 12Vdc 時對 Ham無線電收發(fā)報機充電

調試和隱患

在用樣機進行的一次初步測試中，我發(fā)現(xiàn)了太陽能電池板使用的一個根本限制。太陽能電池板上變化的電壓也意味著變化的電流。我在仿真一些現(xiàn)實世界的要素時，例如陰影遮住太陽能電池板或陽光不足，頓悟了這個問題。在一種極端情況下，在電池板上方舞動手臂都能引起系統(tǒng)閉鎖到限流值上，這令人擔憂。當陽光變化使輸出電壓下降時，樣機的電流模式架構使系統(tǒng)從太陽能電池板吸取更多電流，這是非常合乎情理的，因為功率反映的是電流與電壓之間的關系，電壓下降時，電流會上升，以達到同樣的功率值。解決方案是，設計一個功率變化的系統(tǒng)，因為視陽光在太陽能電池板上照射量的不同而改變，輸入電壓和輸入電流會變化。

因為電池板可能只提供 4A 的最大峰值電流，所以輸入端的這種欠流使系統(tǒng)閉鎖，并保持閉鎖狀態(tài)直到系統(tǒng)復位為止。簡單的解決方案是，當輸入電壓降至低于某個門限時，復位 LTM4607 微型模塊穩(wěn)壓器上的 RUN 引腳。當電池板電壓下降時，用一個帶設定基準電壓的比較器去觸發(fā)可以做到這一點。不幸的是，這個解決方案不是最佳的，因為視電池板接受的太陽光照射量的不同，會引起系統(tǒng)或者接通或者斷開。一個更適合的解決方案是，就太陽能電池板電壓而言，調節(jié)充電電流，這樣，4A 的充電電流就隨著太陽能電池板上太陽光的照射量而變化。當太陽能電池板輸出電壓下降時，到電池的充電電流也應該下降。

我的一位同事對這個問題苦苦思索后，建議使用一個運算放大器和 MOSFET 來控制 LTC1435 上的 PROG 引腳。這個引腳控制充電電流輸出值，使該輸出值與從這個引腳吸出的電流值成比例。運放跟蹤太陽能電池板的電壓，視電池板電壓值的不同而不同，調節(jié) MOSFET 的 Rds-on 并控制電流。當電池板電壓是最大值時，運放控制 MOSFET 至完全接通，從而允許吸出最大電流，并提供 4A 充電電流。當電池板電壓較低時，充電電流也應該較低，以保持合適的功率輸出。我迅速增加了一個采用 LT1006 運算放大器的電路，附在 DC133A 演示板上。我的時間不夠了，而且仍然在琢磨偏置 MOSFET 上的電阻器、以實現(xiàn)最大充電電流。我的一個朋友建議我使用一個可變電位器，來快速解決電流偏置問題，而不再計算電流和電阻。當太陽能電池板電壓達到 10V 的中間點時，我需要將充電電流降低一半。在最大值 20V 時，充電電流應該是 4A.他建議我設置電位器，以在太陽能電池板電壓為 20V 的測試中，提供最大電流，并在緩慢調節(jié)電位器至 2A 充電電流而不閉鎖的同時，將電壓降至 10V.這個建議起了作用，當太陽能電池板輸出下降時，電路不再閉鎖了。該系統(tǒng)最大限度地充分利用了太陽光，而不管處于一天的什么時間。

結果順利完成活動并返家

我們的系統(tǒng)和演示板在沙漠中存活下來，經(jīng)受了沙塵暴、酷熱和干燥環(huán)境以及 100?F 的太陽暴曬。電池支撐住了，沒有發(fā)生故障。LED 燈上覆蓋了厚厚一層干鹽湖灰塵，但是仍然足夠有效，發(fā)出足夠亮的光，讓我們能收拾東西。我們離開時是午夜，所以這些燈是最后收拾的。噴霧系統(tǒng)的表現(xiàn)值得贊賞，當我們需要躲避炎熱時，噴霧系統(tǒng)就噴出一層宜人的涼水。營地 (圖 9) 涼爽、舒服，是我們在沙漠中逗留4天的家。這套系統(tǒng)回到家時完好無損，功能正常，明年還可以再用。

圖 9:在營地的太陽能電池板利用凌力爾特公司的演示板給電池充電