太陽能電池板MPP的脈沖負(fù)載供電解決方案

許多太陽能電池板供電的應(yīng)用只需要功率脈沖來操作。用于數(shù)據(jù)采集或測量采樣的系統(tǒng)通常需要打開，執(zhí)行測量或其他任務(wù)，傳送處理或測量的數(shù)據(jù)，然后返回到睡眠狀態(tài)。在許多情況下，無線傳輸數(shù)據(jù)消耗的輸出功率的最大部分。對于系統(tǒng)本身或者用于傳輸數(shù)據(jù)的這些所需的功率脈沖通常難以用諸如太陽能電池板的功率受限的電源來支持。通過在太陽能電池板的最大功率點(diǎn)（MPP）上運(yùn)行并通過從面板上智能地提取功率，可以成功利用能量為脈沖負(fù)載供電。本文介紹了一種簡單而經(jīng)濟(jì)的解決方案，用于這種脈沖負(fù)載系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。

太陽能電池板的特點(diǎn)

太陽能電池板在MPP運(yùn)行時(shí)提供峰值輸出功率。MPP是對應(yīng)于面板的最高可獲得的輸出功率的電壓和電流。即使光照量變化，MPPT也可利用太陽能電池板供電。太陽能電池板的一個(gè)特點(diǎn)是面板電壓隨著從面板流出的電流的增加而降低。如果電流過高，則電壓崩潰，功耗量變得非常低。圖1示出了特定太陽能電池板的輸出電流和輸出功率與其輸出電壓的關(guān)系。MPP被標(biāo)記。圖中水平的綠線表示輸出功率至少為MPP的90％。在這條線上方，點(diǎn)1和2之間，面板提供最大的功率。

當(dāng)太陽能電池板供電的負(fù)載只需要功率脈沖，并且不需要在100％的時(shí)間內(nèi)通電時(shí)，在MPP的90％內(nèi)操作的一種簡單方法是在點(diǎn)1處開啟負(fù)載并將其關(guān)閉在第二點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載開啟時(shí)，它吸取所需的功率，這降低了面板的電壓。這將操作點(diǎn)從點(diǎn)1移動到MPP點(diǎn)，然后移到點(diǎn)2.在點(diǎn)2，負(fù)載關(guān)閉，面板電壓再次升高。即使是這樣簡單的操作，仍然有三個(gè)問題需要克服。

首先，負(fù)載可能需要與面板輸出不同的電壓。因此，需要高效率的電源將可變且相對較高的面板電壓轉(zhuǎn)換成用于負(fù)載的恒定電壓。

圖1：太陽能電池板的MPP圖

其次，應(yīng)測量面板電壓，并根據(jù)該電壓禁用或啟用電源。大多數(shù)電源都有一個(gè)數(shù)字輸入來啟用或禁用它們。這樣的輸入具有非常不精確的閾值，以將邏輯低與邏輯高區(qū)分開。在閾值不精確的情況下，面板電壓不能直接連接到使能輸入。相反，需要具有精確閾值的外部電路。可以使用電源電壓監(jiān)控器，但這增加了第二個(gè)設(shè)備的成本和復(fù)雜性。

第三，快速變化的面板電壓必須大大減緩，以便有足夠的操作時(shí)間來完成所需的任務(wù)。從點(diǎn)1到點(diǎn)2改變面板電壓幾乎不需要時(shí)間在理論上零秒。在此期間，當(dāng)電壓從點(diǎn)1到點(diǎn)2變化時(shí)，負(fù)載的電源必須打開，負(fù)載必須執(zhí)行其任務(wù)。這要求電源具有非常快速的開啟和足夠長的面板電壓保持時(shí)間以執(zhí)行必要的任務(wù)。

MPPT解決方案

有很少的單一設(shè)備，成本效益的解決方案，從功率受限的太陽能電池板輸入的寬電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，同時(shí)有效地提供穩(wěn)定的輸出電壓，快速啟動，并在90％的MPP內(nèi)運(yùn)行。然而，德州儀器（TI）的TPS62125則是一種可接受高達(dá)17 V的輸入電壓，工作效率超過90％，啟動時(shí)間小于1 ms，并具有精確閾值的啟用輸入引腳的器件直接連接到MPPT太陽能電池板的電壓。這消除了另外的設(shè)備執(zhí)行這個(gè)功能的需要。圖2顯示了完整的解決方案。

圖2：脈沖負(fù)載的MPPT電路

由R1和R2組成的分壓器被配置為打開圖1中的點(diǎn)1的電源。直到電源被使能，器件本身將R2和R3之間的節(jié)點(diǎn)保持在地電位。電源啟動后，器件釋放該節(jié)點(diǎn)，R3成為分壓器的一部分。當(dāng)太陽能電池板電壓降至點(diǎn)2時(shí)，器件關(guān)斷，再次將R2和R3之間的節(jié)點(diǎn)保持在低電平。此時(shí)，面板電壓再次開始上升，直到達(dá)到導(dǎo)通閾值。這提供了一個(gè)完全可編程的開啟和關(guān)閉電壓，可配置到任何太陽能電池板。

大容量輸入電容器C3儲存來自太陽能電池板的足夠的能量以在所需持續(xù)時(shí)間內(nèi)為負(fù)載供電，并提供用于啟動電源的充電。面板將對應(yīng)于其電壓的電流輸送到電源或C3。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，太陽能電池板將電流傳送到電容器。當(dāng)電源開啟時(shí)，電容器和太陽能電池板提供必要的電流給負(fù)載供電。由于C3僅僅儲存能量，并且這個(gè)能量在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)釋放，所以C3可以是一個(gè)低成本的電解電容器。

計(jì)算所需的體積輸入電容

設(shè)計(jì)MPPT電路的第一步是確定負(fù)載的功率需求，然后根據(jù)這些功率需求和所選的太陽能電池板計(jì)算所需的大容量輸入電容量。例如，假定遙感電路在250毫安（825毫瓦）下需要3.3伏，持續(xù)時(shí)間為15毫秒。這些是包含測量設(shè)備，微處理器和RF發(fā)射器的系統(tǒng)的典型需求。

在確定負(fù)載的功率需求之后，計(jì)算C3所需的值。首先，從公式1中找到驅(qū)動負(fù)載所需的輸入電流：

V IN是圖1中點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的平均太陽能板電壓，η是給定輸出功率下的電源效率。請注意，V IN約為7.8 V，輸出功率為825 mW 時(shí)，電源的典型效率約為87％。使用這些數(shù)字，I IN = 122毫安。這比圖1所示的太陽能電池板能夠提供的要大得多，所以C3必須存儲足夠的能量以提供剩余電流15ms。公式2根據(jù)負(fù)載要求和太陽能電池板特性確定所需的C3值：

V P1和V P2是點(diǎn)1和點(diǎn)2處的電壓，對于該面板而言分別為約9V和6.5V，并且對應(yīng)于C3放電時(shí)的電壓變化。由t ON給出的所需的負(fù)載操作時(shí)間是15ms。最后，我Panel（平均）是當(dāng)面板在MPP的90％以內(nèi)運(yùn)行時(shí)，太陽能電池板的平均電流。如圖1所示，這個(gè)電流約為19 mA。

從等式2可以確定C3應(yīng)該大于618μF。一個(gè)680μF的電容器用于在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)提供一定的余量。

計(jì)算使能引腳的分壓器

R1，R2和R3形成一個(gè)完全可配置的分壓器，使能（EN）引腳具有滯后。等式3和4用于設(shè)置電阻值：

首先選擇R1，1MΩ是一個(gè)好的起始值。以此計(jì)算，R2被計(jì)算為153.8kΩ。選擇最接近的154kΩ標(biāo)準(zhǔn)值。R3應(yīng)該是60.9kΩ，60.4kΩ是最接近的標(biāo)準(zhǔn)值。

額外的MPPT電路配置

另一個(gè)可以配置為使典型應(yīng)用受益的特性是使用電源良好（PG）輸出來控制負(fù)載使能（EN）輸入。電源關(guān)閉時(shí)，PG引腳保持低電平。上拉電阻R6將其拉高，但只有在電源使能且輸出電壓穩(wěn)定時(shí)。將PG輸出直接連接到負(fù)載的EN輸入，可保持禁用負(fù)載，直到輸入電壓升至V P1以上，直到輸出電壓足夠高以正確地為負(fù)載供電。由于輸入電壓低于V P2，電源被禁止，PG引腳被主動拉低，這也禁用負(fù)載。這種配置確保只有在電源電壓穩(wěn)定時(shí)才能使能負(fù)載，避免可能會損壞負(fù)載性能或數(shù)據(jù)的低電源電壓。

圖3：在MPP的90％以內(nèi)MPPT電路的操作

檢測結(jié)果

圖3顯示了正在運(yùn)行的MPPT電路。面板電壓V IN保持在9 V和6.5 V之間（分別為V P1和V P2）。一旦V OUT進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，負(fù)載啟用并消耗250 mA。當(dāng)面板電壓下降到6.5 V時(shí)，V OUT被禁止，從而禁止負(fù)載電流。太陽能電池板始終提供19 mA的平均電流。圖3中的負(fù)載運(yùn)行時(shí)間約為18 ms，滿足15 ms的要求。這個(gè)運(yùn)行時(shí)間大致與計(jì)算結(jié)果相匹配，因?yàn)镃3的值超出了這些計(jì)算的結(jié)果。

圖4替換了圖3中的輸出電壓走線，I Cap的走線，C3的電流。隨著V IN減小，離開電容器的電流是正的 - 電容器將其存儲的能量提供給電源，電源然后將該能量提供給負(fù)載。一旦負(fù)載關(guān)閉，由于面板電壓降至6.5 V，電源禁用，C3的電流變?yōu)樨?fù)值 - 電容器從面板再充電，為下一個(gè)周期儲存能量。當(dāng)電池板電壓足夠高時(shí)，由于電源接通，因此在負(fù)載使能之前，來自C3的電流短暫尖峰。啟動期間，需要由C3提供額外的輸入電流。

圖4：提供工作在MPP 90％以內(nèi)的電路的大容量輸入電容器（C3）

結(jié)論

本文展示了一種簡單而經(jīng)濟(jì)的電路，用于追蹤脈沖負(fù)載系統(tǒng)的太陽能電池板MPP，例如通過RF發(fā)射器傳輸其數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)。這種拓?fù)湟部梢耘渲脼槿魏翁柲茈姵匕搴腿魏蚊}沖負(fù)載。