如何使用動(dòng)態(tài)電源路徑管理簡化太陽能板對(duì)電池的充電

　　最初，TI 的線性充電穩(wěn)壓器 bqTINY-III 系列只是設(shè)計(jì)用于通過一個(gè) AC 適配器或 USB 端口為單體鋰離子電池充電，然而，這些 IC 也非常適用于由太陽能板供電的應(yīng)用。 太陽能電池通常是由 p-n 結(jié)組成的，p-n 結(jié)中入射光線能量（光子）通過導(dǎo)致電子和空穴的重新組合來產(chǎn)生電流。由于 p-n 結(jié)的特性類似于二極管的特性，因此我們通常以如圖 1 中所示的電路作為太陽能電池特性的一個(gè)簡化模型。

　　電流源 IPH 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和太陽能電池上的光量度成正比的電流。在沒有負(fù)載連接的情況下，幾乎所有產(chǎn)生的電流均流經(jīng)二極管 D1，其正向電壓決定了太陽能電池的開路電壓 （VOC）。該電壓會(huì)因不同類型太陽能電池的特性不同而有所差異，但是，對(duì)于大多數(shù)硅電池而言，這一電壓都在 0.5V～0.6V 之間（這也是 p-n 結(jié)二極管的標(biāo)準(zhǔn)正向電壓）。在實(shí)際太陽能電池應(yīng)用中，并聯(lián)電阻 RP 的漏電流很小。隨著負(fù)載電流的增加，IPH 產(chǎn)生的大部分電流從二極管中流出來并進(jìn)入負(fù)載。對(duì)于大多數(shù)負(fù)載電流而言，這個(gè)過程對(duì)于輸出電壓僅有很小的影響。由于二極管的 I-V 特性會(huì)有輕微的變化，并且由于串聯(lián)電阻 RS 的原因（其具有連接損耗）電壓會(huì)稍有下降，但輸出電壓卻保持大體恒定。然而，有時(shí)流經(jīng) D1 的電流太小，從而導(dǎo)致二極管偏置不夠，并且二極管兩端的電壓會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而急劇下降。最后，如果所有產(chǎn)生的電流均只流經(jīng)負(fù)載（而不流經(jīng)二極管），則輸出電壓就會(huì)變?yōu)榱恪＿@個(gè)電流被稱為太陽能電池的短路電流 （ISC）。ISC 和 VOC 都是定義太陽能電池工作性能的主要參數(shù)之一。

　　在大多數(shù)應(yīng)用中，人們都期望太陽能電池能提供盡可能多的電能。由于輸出功率是輸出電壓和電流的乘積，因此就必須確定電池工作區(qū)域中的哪一部分所產(chǎn)生的 VI 值最大。這一點(diǎn)被稱為最大功率點(diǎn) （MPP）。當(dāng)輸出電壓為其最大數(shù)值 （VOC） 時(shí)，輸出電流為零，這是一個(gè)極端情況；而當(dāng)輸出電流達(dá)到最大值 （ISC），但輸出電壓為零時(shí)，則是另一種極端情況。在這兩種情況下 VI 的乘積均為零，因此，這兩種極端情況肯定都不是 MMP 點(diǎn)。我們可以很容易證明（或通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察），在任何應(yīng)用中，MPP 一般會(huì)出現(xiàn)在太陽能電池輸出特性（請(qǐng)參見圖 3）下半部分的某個(gè)位置。但問題是太陽能電池 MPP 的確切位置會(huì)因入射光線和環(huán)境溫度不同而變化。所以，設(shè)計(jì)旨在動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)太陽能電池的輸出電流，以達(dá)到太陽能電量生成系統(tǒng)的最大化，以便在實(shí)際應(yīng)用中其能夠在 MPP 點(diǎn)或者其臨近點(diǎn)工作。

　　實(shí)施這一方案（最大功率點(diǎn)跟蹤器）的方法有很多，但都非常復(fù)雜，尤其是在衛(wèi)星等任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)中。然而，在很多小型應(yīng)用中，并不需要極其精確的 MPP 跟蹤方案，只需要一個(gè)能利用率約 90%-95% 可用電能的簡單低成本解決方案即可。TI 線性充電控制器 bqTINY-III 系列的動(dòng)態(tài)電源路徑管理 （DPPM） 功能就可用于諸如簡化 MPP 跟蹤器的實(shí)施。 DPPM 功能的主要原理如圖 4 所示。暫時(shí)忽略 USB 輸入，電路的工作原理如下：Q1 對(duì) OUT 引腳的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，Q2 根據(jù)一個(gè)典型的 CC-CV 鋰離子充電曲線對(duì)充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果連接至 AC 引腳的電源電流不足而無法為系統(tǒng)供電并為電池充電，則 VOUT 開始下降。如果 VOUT 達(dá)到了預(yù)定義的閾值 VDPPM，bqTINY-III 則會(huì)自動(dòng)將充電電流降至一個(gè)可保持 VDPPM 時(shí) VOUT 的水平。

　　該特性可用于圖 5 所示的應(yīng)用。其中，一個(gè)太陽能板被用于為一個(gè)單體鋰離子電池再充電。該太陽能板由若干電池串組成，每個(gè)電池串包括 11 個(gè)串聯(lián)硅電池。它的作用類似于電流限制電壓源，其中電流限制是由太陽能板的大小以及照射在上面的光量來確定的。

　　從該太陽能板上獲得的最大輸出電壓 （VOC） 通常介于 5.5V～6V 之間。因?yàn)樵撾妷旱陀?bq24030 預(yù)定義的 6V 輸出調(diào)節(jié)電壓，Q1 被完全開啟 （turned hard-on）。RSET 定義了一個(gè) 1A 的最大充電電流。如果其超過了太陽能電池的輸出電流（取決于光線強(qiáng)弱），太陽能板的輸出電壓就會(huì)下降，從而降低了 bq24030 OUT 引腳的電壓。RDPPM 對(duì) bq24030 進(jìn)行了編程以自動(dòng)將 ICHG 降至一個(gè)容許 VOUT 保持在最小 4.5V 的電平。之所以采用 VDPPM 這個(gè)值，是因?yàn)樗浅７咸柲馨宓淖畲蠊β庶c(diǎn) （MPP）。假設(shè) Q1 兩端的電壓降為 300mV，那么每個(gè)電池的電壓就將會(huì)變?yōu)?436mV，這樣就會(huì)最大化太陽能板的功率輸出。如果 VOUT 高于 4.5V，則 DPPM 就會(huì)不起作用，太陽能板的工作狀態(tài)就會(huì)偏離 MPP。但是，只有所需的電能少于太陽能板所能提供的電能時(shí)，才會(huì)發(fā)生這樣的情況，此時(shí)效率的降低不會(huì)有太大的影響。如圖 3 所示，隨著輸出功率逼近 MPP，輸出功率曲線變得十分平穩(wěn)，然后突然急劇下降。因此，把 VDPPM 設(shè)置得稍高些比設(shè)置得稍低些要好。這樣就可以將不恰當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)對(duì)輸出功率的影響最小化。 如果太陽能板提供的電能不足以為系統(tǒng)供電，甚至當(dāng)電池充電電流已經(jīng)被降低至零的時(shí)候，Q2 就會(huì)被開啟，VOUT 將下降到恰好低于電池電壓 VBAT，而電池則能提供任何太陽能板所不能提供的電流。

　　bqTINY-III 還允許通過 USB 端口對(duì)電池進(jìn)行充電。在這種情況下，Q3 就會(huì)被用來調(diào)節(jié)輸入電流，以確保 USB 規(guī)范可根據(jù) IC 的 ISET2 引腳狀態(tài)滿足 100mA 或 500mA 的要求。如果系統(tǒng)和充電電流的總和超過了所選 USB 的電流極限，則 VOUT 就會(huì)下降且 DPPM 功能會(huì)降低充電電流，或像從前那樣還原為電池補(bǔ)充模式。 bqTINY-III 系列器件的另一個(gè)非常有用的特性就是如果充電器正處于 DPPM 狀態(tài)，則其內(nèi)部安全定時(shí)器就會(huì)自動(dòng)延長時(shí)間。因此在低光照或電流限制的條件下，當(dāng)電池充電速度較慢時(shí)，在出現(xiàn)錯(cuò)誤條件之前對(duì)電池進(jìn)行再充電所允許的時(shí)長得到了適當(dāng)?shù)难娱L，從而避免了過早的充電終止。