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為了簡化儀器、監(jiān)視和控制應(yīng)用的無線通信所需的配電系統(tǒng)，電源設(shè)計師努力尋找不依賴電網(wǎng)的器件。電池顯然是立即能想到的解決方案，讓人們產(chǎn)生了能不依賴電網(wǎng)的幻想，但是電池需要更換或再充電，這意味著最終還是要連接到電網(wǎng)上，而且需要昂貴的人工干預(yù)和維護。我們提出用能量收集的方法，使用這種方法時，能量是從緊挨著儀器的環(huán)境中收集的，無需連接到電網(wǎng)就可以使儀器永久運行，而且最大限度地減少或消除了維護需求。
可以收集各種環(huán)境能源以產(chǎn)生電能，包括機械振動、溫度差和入射光。其中，光伏能量收集有廣泛的適用范圍，因為光幾乎到處都有，光伏(PV)電池價格相對較低，而且與其他環(huán)境能量收集解決方案相比，能產(chǎn)生相對較高的功率。因為光伏能量收集方法提供相對較高的能量輸出，所以可用來給無線傳感器節(jié)點供電，還可用來給較高功率的電池充電應(yīng)用供電，以延長電池壽命，從而在某些情況下完全無需有線充電。
串聯(lián)連接的高壓光伏電池組能提供充足的功率，但單節(jié)光伏電池解決方案卻很少見，因為單節(jié)光伏電池在有負(fù)載情況下產(chǎn)生的電壓很低，從這么低的電壓難以產(chǎn)生有用的電源軌。幾乎沒有升壓型轉(zhuǎn)換器能從電壓很低、阻抗相對較高的單節(jié)光伏電池產(chǎn)生輸出。不過，LTC3105是專門為應(yīng)對這類挑戰(zhàn)而設(shè)計。該器件具有超低的250mV啟動電壓和可編程最大功率點控制，能從富有挑戰(zhàn)性的光伏電源產(chǎn)生大多數(shù)應(yīng)用所需的典型電壓軌(1.8～5V)。
了解光伏電池電源
可以用一個電流源與一個二極管并聯(lián)來建立光伏電源的電模型，如圖1所示。更復(fù)雜的模型可顯示一些次要影響，但是就我們的目的而言，這個模型足夠充分了。
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圖1 簡單的光伏電池模型
反映光伏電池特性的兩個常見參數(shù)是開路電壓和短路電流。光伏電池的典型電流和電壓曲線如圖2所示。請注意，短路電流是該模型電流發(fā)生器的輸出，而開路電壓是該模型二極管的正向電壓。隨著光照射量的增加，該發(fā)生器產(chǎn)生的電流也增加，同時 IV 曲線向上移動。
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圖2 典型的光伏電池I-V曲線
為了從光伏電池抽取最大功率，電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗必須與電池的輸出阻抗匹配，從而使系統(tǒng)能在最大功率點上工作。圖3顯示了一個典型的單節(jié)光伏電池的功率曲線。為了確保抽取最大功率，光伏電池的輸出電壓應(yīng)該與功率曲線的峰值點相對應(yīng)。LTC3105 調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的輸出電流，以保持光伏電池的電壓等于最大功率點控制引腳設(shè)定的電壓。因此可用單個電阻器設(shè)定最大功率點，并確保從光伏電池抽取最大功率和峰值輸出充電電流。
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圖3 典型光伏電池的功率曲線