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Chris Glaser，德州儀器(TI) 應用工程師 引言 許多太陽能電池板供電型應用只需功率脈沖便可運行。我們需要頻繁地開啟數據收集或者測量采樣系統，執行測量或者其他任務，發送經過處理或者測量的數據，然后再回到睡眠模式。在許多情況下，以無線方式發送這些數據消耗掉了大部分輸出功率。如太陽能電池板等小功率電源，通常難以支持系統本身或者數據發送所需的這些功率脈沖。通過讓太陽能電池板工作在最大功率點 (MPP)，并且智能地從電池板獲取功率，以實現對電能的管理，從而順利地驅動脈沖負載。本文將為您介紹一種簡單且高成本效益的最大功率點追蹤 (MPPT) 解決方案，以供這類脈沖負載系統使用。 太陽能電池板特性 在最大功率點工作時，太陽能電池板可提供峰值輸出功率。最大功率點是一個與電池板最高可達輸出功率相對應的電壓和電流。在光照水平不斷變化的情況下，最大功率點追蹤方法對來自太陽能電池板的功率進行管理。太陽能電池板的一個特性是，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。最大功率點已被標示出來。圖中，一條水平綠線條表明輸出功率至少為 90% 最大功率點時的位置。該線條以上，在“點 1”和“點 2”之間時，電池板輸出功率最大。 
圖 1 太陽能電池板最大功率點圖 當太陽能電池板供電型負載僅要求功率脈沖并且不需要全時段供電時，讓其工作在 90% 最大功率點以下的一種簡單方法是，在“點 1”開啟負載，而在“功率點 2”關閉負載。當負載開啟時，其獲得要求的功率，從而使電池板電壓下降。這樣，工作點便從“點 1”開始移動，經過最大功率點，最終超過“點 2”。在“點 2”時，負載關閉，電池板電壓再次上升。即使是這種簡單的操作，我們也必須解決 3 個問題。 首先，相比電池板輸出，負載可能會要求不同的電壓。因此，我們需要使用一種高效的電源，以將不穩定且相對較高的電池板電壓轉換為負載可用的恒定電壓。 其次，我們需要測量電池板電壓，并且根據該電壓來關閉或者開啟電源。大多數電源都利用一個數字輸入來實現開啟或者關閉功能。這種輸入有一個大概的閾值，以區分邏輯低電平和邏輯高電平。使用這種非精確閾值時，電池板電壓便無法直接到達開啟狀態的輸入端。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測器，但添加器件會帶來成本和復雜度的增加。 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間，完成規定的任務。電池板電壓從“點1”變到“點2“幾乎無需時間——理論上為零秒。這時，當電壓從“點1”變到“點2”時，必須開啟負載電源，而負載必須完成其任務。這就要求電源擁有非�？焖俚拈_啟能力，并且能夠長時間保持電池板電壓，以便完成需要執行的任務。 最大功率點追蹤解決方案 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能電池板輸入，同時還要能夠高效地提供穩定的輸出電壓、快速的啟動，并且能夠在 90% 最大功率點以下工作。TI TPS62125 就是一個這類器件，它可以接受高達 17V 的輸入電壓，擁有 90% 以上的工作效率，啟動時間小于 1 ms，并且擁有一個使用精確閾值的開啟輸入引腳，其可以直接連接至太陽能電池板電壓，以實現最大功率點追蹤。這樣，便無需添加額外器件來實現這種功能。圖 2 顯示了一套完整的解決方案。
圖 2 脈沖負載的最大功率點追蹤電路 由 R1 和 R2 組成的分壓器，用于在圖 1 所示“點1”時開啟電源。在電源開啟以前，該器件本身會把 R2 和 R3 之間的這個節點一直保持在地電位。電源開啟以后，器件釋放該節點，R3便為分壓器的組成部分。當太陽能電池板電壓降至“點2”時，器件關閉節點，并再次保持 R2 和 R3 之間節點的低電壓。這時，電池板電壓再次開始上升，直到其達到開啟閾值為止。這樣便實現一種完全可編程的開啟和關閉電壓，其可用于任何太陽能電池板。 大容量輸入電容 C3 存儲來自太陽能電池板的能量，以在規定時間為負載提供功率，并且為電源啟動供電。電池板向電源或者 C3 提供與其電壓相對應的電流。當電源處于關閉狀態時，太陽能電池板向電容提供電流。當電源開啟時，電容和太陽能電池板為負載提供所需電流。由于 C3 只是存儲能量，然后在相對較長的一段時間內釋放存儲的能量，就此而言 C3 不失為一款低成本的電解質電容。 所需大容量輸入電容計算方法 最大功率點追蹤電路設計的第一步是，確定負載的功率需求，然后根據功率要求和所選用的太陽能電池板，計算出所需大容量輸入電容的大小。例如，假設一個遙感電路要求 250mA 電流下電壓為 3.3V（825 mW），且供電時間為 15 ms。對于包含有測量器件、微處理器和 RF 發射器的系統而言，這是一種基本需求。 在確定負載的功率需求以后，我們需要計算出 C3 的要求值。首先，為負載供電所需的輸入電流可以通過方程式 1 計算得到：
VIN為圖1所示“點1”和“點2”之間的平均太陽能電池板電壓，而η為給定輸出功率的電源效率。請注意，VIN 約為 7.8V 且輸出功率為 825mW 時，電源效率一般為 87% 左右。利用這些數值，可以計算得到 IIN=122mA，遠大于圖 1 所示太陽能電池板的輸出能力，因此 C3 必須存儲足夠的能量，以提供缺少的那部分電流，并且持續時間為 15 ms。方程式 2 根據負載要求和太陽能電池板特性，計算出要求的 C3 值：
VP1和VP2為“點1”和“點2”之間的電壓，使用這種太陽能電池板時，它們分別約為 9V 和 6.5V，其與放電時 C3 的電壓變化相對應。tON 時的要求負載工作時間為 15ms。最后，Ipanel(Avg) 為電池板工作在其 90% 最大功率點以下時，太陽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 應大于 618 µF。使用 680-µF 電容，可以在器件工作時提供一定的裕量。 開啟引腳分壓器計算 R1、R2 和 R3 共同形成了一個具有開啟 (EN) 引腳磁滯的完全可配置分壓器。方程式 3 和 4 用于設置電阻器值：
我們首先選擇 R1，而 1 MΩ 是一個較為合適的起始值。這樣，通過計算，可以得到 R2 為 153.8 kΩ。我們選擇最接近標準值 154 kΩ。R3 應為 60.9 kΩ，而60.4 kΩ 是最接近標準值。 其他最大功率點追蹤電路配置 可使典型應用受益的另一種可配置特性是，利用電源良好 (PG) 輸出來控制負載的開啟 (EN) 輸入。當電源關閉時，PG 引腳保持低電平。僅當電源開啟且輸出電壓在調節狀態下時，上拉電阻器 R6 將其拉高。把 PG 輸出直接連接至負載EN輸入，可使負載保持關閉，直到輸入電壓升至 VP1 以上且輸出電壓高到足以正常驅動負載為此。由于輸入電壓降至 VP2 時電源關閉，因此 PG 引腳被有源拉低，從而又讓負載關閉。這種配置，可以保證僅在其電源電壓處于調節狀態下時才開啟負載，從而避免出現可能會破壞負載性能或者數據的低電源電壓。 測試結果 圖 3 顯示了運行中的最大功率點追蹤電路。電池板電壓 VIN 保持在 9V 和 6.5V（分別為 VP1 和 VP2）之間。一旦 VOUT 進入調節狀態，負載開啟，并且獲取 250mA 電流。當電池板電壓降至 6.5V 時，VOUT 關閉，并從而關閉負載電流。太陽能電池板始終提供19mA的平均電流。圖 3 中，負載擁有約 18ms 的運行時間，可以滿足 15ms 要求。該運行時間并未與上述計算結果完全一致，而 C3 值有所增加，超出了計算結果。
圖 3 90% 最大功率點以下工作的最大功率點追蹤電路 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，來自電容的電流為正—電容向電源提供其存儲能量，之后負載獲得該能量。一旦負載關閉，由于電池板電壓降至 6.5V，并且電源關閉，C3 提供的電流變為負—電容通過電池板再充電，為下一個周期存儲能量。電池板電壓足夠高的情況下，當電源開啟時，來自 C3 的電流在負載開啟以前出現短暫尖峰。啟動期間，需要 C3 提供更多的輸入電流。
圖 4 90% 最大功率點以下工作的電路的大容量輸入電容 (C3) 結論 本文論述了一款簡單且低成本的太陽能電池板最大功率點追蹤電路，其適用于脈沖負載系統，例如：通過 RF 發射器發送數據的遙測系統。另外，我們還可以對這種拓撲結構進行相應配置，用于任何太陽能電池板和脈沖負載系統。 相關網站 http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page http://www.ti.com/ww/cn/apps/energy-harvesting/index.shtml www.ti.com.cn/product/cn/TPS62125 |
