通過(guò)MPPT算法簡(jiǎn)化高效能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能收獲已經(jīng)在高度復(fù)雜的設(shè)備中得到支持，這些設(shè)備集成了最大化太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能所需的全套功能。通過(guò)利用ADI，德州儀器和意法半導(dǎo)體等能量收集IC制造商的低成本評(píng)估套件，工程師可以快速深入了解這些器件 - 以及一般的能量收集原理。

雖然光伏電池太陽(yáng)能采集的概念很簡(jiǎn)單，但有效的能量采集系統(tǒng)的實(shí)施依賴于對(duì)無(wú)數(shù)細(xì)節(jié)的充分認(rèn)識(shí)。在這些細(xì)節(jié)中，太陽(yáng)能PV板的正確加載是必要的，因?yàn)镻V板的最大輸出發(fā)生在PV板的功率曲線上的精確點(diǎn)處。該最大功率點(diǎn)（MPP）可以在一系列曲線上移動(dòng)，這些曲線與各種因素相關(guān)，包括照亮面板的光強(qiáng)度，環(huán)境溫度，面板中PV電池的壽命和健康狀況以及面板電壓由面板上的負(fù)載決定（圖1）。因此，最有效的能量收集設(shè)計(jì)采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）方法，其動(dòng)態(tài)調(diào)整PV電池上的負(fù)載以維持其在MPP下的操作。

圖1：在影響太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的各種因素中，由負(fù)載確定的光伏電池或面板電壓可以顯著改變最大功率點(diǎn)。 （德州儀器公司提供）

MPPT優(yōu)化方法可能很復(fù)雜 - 事實(shí)上，MPPT算法仍然是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的主題。然而，ADI公司的ADP5090，STMicroelectronics SPV1050和德州儀器公司bq25505等專(zhuān)用能量采集設(shè)備提供集成的MPPT功能，可滿足許多能量采集應(yīng)用的需求。雖然這些支持MPPT的IC簡(jiǎn)化了高效能量收集系統(tǒng)的實(shí)施，但它們本身就是復(fù)雜的設(shè)備，需要仔細(xì)關(guān)注與其配置和操作相關(guān)的細(xì)節(jié)。

專(zhuān)業(yè)的能量收集設(shè)備只需很少的外部元件即可用MPPT實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的太陽(yáng)能收割機(jī)。事實(shí)上，模擬ADP5090，ST SPV1050和TI bq25505可用作能量采集電源，能夠從μwatt級(jí)環(huán)境光源中提取電能，同時(shí)為可充電電池和超級(jí)電容器的負(fù)載和充電管理提供電源管理。例如，只需幾個(gè)無(wú)源元件，Analog的ADP5090就可以直接驅(qū)動(dòng)MCU和RF收發(fā)器等外部器件，并與ADI公司的ADP161等穩(wěn)壓器配合使用，為傳感器等電壓敏感器件供電（圖2）。

圖2：專(zhuān)用的能量收集設(shè)備，如ADI公司的ADP5090，只需很少的外部元件即可提供完整的太陽(yáng)能收集設(shè)計(jì)，并配有MPPT功能，電源管理和電池充電功能。 （由Analog Devices提供）

這些器件中的每一個(gè)都使用類(lèi)似的MPPT方法，利用MPP電壓（VMPP）與太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓（VOC）之間的恒定線性關(guān)系或熱電發(fā)電機(jī)（TEG）：

其中常數(shù)k取決于特定的PV電池或面板。通常，太陽(yáng)能電池在加載到其開(kāi)路電壓的約70％至80％時(shí)處于其MPP，并且當(dāng)加載至約50％VOC時(shí)TEG處于MPP。 IC制造商使用這種關(guān)系通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)將VMPP設(shè)置為適當(dāng)?shù)陌俜直?。例如，模擬ADP5090使用一對(duì)電阻R1和R2設(shè)置VMPP（參見(jiàn)上面的圖2）。使用此器件，VMPP = VOC× R1/（R1 + R2），其中R2是從VIN（VOC）連接到ADP5090的MPPT引腳的電阻，R1連接到MPPT和GND 。

在ADP5090正常工作期間，器件將連接到CBP引腳的電容上的VMPP參考電壓存儲(chǔ)在引腳MPPT上。為了確保采樣的VMPP實(shí)際上是太陽(yáng)能電池的MPP，器件定期刷新采樣的VMPP：每隔19秒，ADP5090禁用其集成升壓調(diào)節(jié)器296 ms并重新采樣開(kāi)路電壓，導(dǎo)致周期性尖峰VIN（圖3）。

圖3：支持MPPT的器件（如ADI公司ADP5090）的操作可能會(huì)出現(xiàn)微妙的副作用，例如由于與集成MPPT算法相關(guān)的VOC采樣導(dǎo)致的VIN峰值。 （由Analog Devices提供）

雖然MPPT采樣特性是ADP5090功能的一個(gè)重要方面，但MPPT只是其中之一。對(duì)于希望利用能量收集來(lái)為電池充電或以其他方式為電路供電的工程師而言，ADP5090等設(shè)備包括一系列復(fù)雜的功能，包括升壓調(diào)節(jié)，充電管理，備用電源以及各種信號(hào)，如PGOOD，用于指示可用功率電平，最小功率工作電平和電源選擇等等。

ADI公司ADP5090-2-EVALZ評(píng)估套件提供完整的能量收集系統(tǒng)，使工程師能夠推遲深入了解ADP5090配置問(wèn)題，而是專(zhuān)注于其能量收集，電池充電和電源管理功能。實(shí)際上，該套件包括圖2所示的全部組件（包括ADP161穩(wěn)壓器，但不包括圖中所示的MCU或ADF7xxx RF收發(fā)器）。例如，該套件完全配置為MPPT，使用R1 =18MΩ和R2 =4.7MΩ的值，根據(jù)需要提供VMPP設(shè)置為VOC的80％。

用于評(píng)估能量收集bq25505器件，德州儀器bq25505EVM提供一組跳線，使工程師可以輕松地將VMPP/VOC比率設(shè)置為幾個(gè)預(yù)設(shè)值。與模擬ADP5090類(lèi)似，TI bq25505以電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的固定VOC比率對(duì)VMPP進(jìn)行采樣。在TI評(píng)估套件中，工程師可以使用電路板的跳線輕松地將太陽(yáng)能電池的比例設(shè)置為80％，或者將TEG的比率設(shè)置為50％。

同時(shí)使用適當(dāng)?shù)碾娮柚颠M(jìn)行設(shè)置在VMPP/VOC比率下，能量轉(zhuǎn)換效率還依賴于正確選擇電容器和電感器，這些電感器和電感器通常用于提高從低功率源獲取能量的設(shè)計(jì)中的電壓水平。為使升壓轉(zhuǎn)換正常工作，電感值必須足以允許至少30％的余量，通常高于預(yù)期的峰值電感電流。

同樣，輸入電容的選擇至關(guān)重要，選擇不當(dāng)會(huì)極大地影響效率。例如，在STMicroelectronics SPV1050使用的400 ms采樣時(shí)間內(nèi)，輸入電容CIN由能量源充電至VOC，其時(shí)間常數(shù)由電容和電源的等效電阻決定。如果電容過(guò)高，電容可能無(wú)法在400 ms的時(shí)間窗內(nèi)充電，從而影響MPPT精度和整體轉(zhuǎn)換效率（圖4）。然而，通過(guò)使用ST的STEVAL-ISV020V1評(píng)估套件，工程師可以確保正確配置基于SPV1050的能量收集設(shè)計(jì)，能夠優(yōu)化從環(huán)境源提取能量。

圖4：正確確定電阻，電感和電容的大小對(duì)于確保最大的能量收集效率至關(guān)重要。在這種情況下，為ST SPV1050能量采集IC選擇過(guò)大的輸入電容會(huì)導(dǎo)致MPPT誤差和效率損失。 （由STMicroelectronics提供）

專(zhuān)為從太陽(yáng)能和其他能源中獲取能源而設(shè)計(jì)，ADI公司的ADP5090，STMicroelectronics SPV1050和德州儀器bq25505等專(zhuān)用設(shè)備提供復(fù)雜的功能，包括MPPT優(yōu)化，充電管理，和備用電源功能。對(duì)于能夠充分利用其全部功能的設(shè)計(jì)人員而言，這些設(shè)備可為創(chuàng)建非常復(fù)雜的能量收集應(yīng)用提供顯著優(yōu)勢(shì)通過(guò)基于這些設(shè)備的評(píng)估套件的可用性，工程師不僅可以更深入地了解這些設(shè)備，還可以更深入地了解能量收集原理。