太陽(yáng)能電池板MPP的脈沖負(fù)載供電解決方案

　　許多太陽(yáng)能電池板供電的應(yīng)用只需要功率脈沖來(lái)操作。用于數(shù)據(jù)采集或測(cè)量采樣的系統(tǒng)通常需要打開(kāi)，執(zhí)行測(cè)量或其他任務(wù)，傳送處理或測(cè)量的數(shù)據(jù)，然后返回到睡眠狀態(tài)。在許多情況下，無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)消耗的輸出功率的Z大部分。對(duì)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(yáng)能電池板的功率受限的電源來(lái)支持。通過(guò)在太陽(yáng)能電池板的Z大功率點(diǎn)（MPP）上運(yùn)行并通過(guò)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(jiǎn)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Z大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。

　　太陽(yáng)能電池板的特點(diǎn)

　　太陽(yáng)能電池板在MPP運(yùn)行時(shí)提供峰值輸出功率。MPP是對(duì)應(yīng)于面板的Z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(yáng)能電池板供電。太陽(yáng)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(guò)高，則電壓崩潰，功耗量變得非常低。圖1示出了特定太陽(yáng)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Z大的功率。

　　當(dāng)太陽(yáng)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(jiǎn)單方法是在點(diǎn)1處開(kāi)啟負(fù)載并將其關(guān)閉在第二點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載開(kāi)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(dòng)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(jiǎn)單的操作，仍然有三個(gè)問(wèn)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(duì)較高的面板電壓轉(zhuǎn)換成用于負(fù)載的恒定電壓。

　　其次，應(yīng)測(cè)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(lái)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(kāi)。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(lái)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(kāi)，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(kāi)啟和足夠長(zhǎng)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(yáng)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(dòng)，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(guò)90％，啟動(dòng)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(yáng)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。

　　由R1和R2組成的分壓器被配置為打開(kāi)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(dòng)后，器件釋放該節(jié)點(diǎn)，R3成為分壓器的一部分。當(dāng)太陽(yáng)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(kāi)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(kāi)啟和關(guān)閉電壓，可配置到任何太陽(yáng)能電池板。

　　大容量輸入電容器C3儲(chǔ)存來(lái)自太陽(yáng)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(dòng)電源的充電。面板將對(duì)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(yáng)能電池板將電流傳送到電容器。當(dāng)電源開(kāi)啟時(shí)，電容器和太陽(yáng)能電池板提供必要的電流給負(fù)載供電。由于C3僅僅儲(chǔ)存能量，并且這個(gè)能量在相當(dāng)長(zhǎng)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(yáng)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(cè)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(dòng)負(fù)載所需的輸入電流：

　　太陽(yáng)能電池板MPP的脈沖負(fù)載供電解決方案V IN是圖1中點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的平均太陽(yáng)能板電壓，η是給定輸出功率下的電源效率。請(qǐng)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(yáng)能電池板能夠提供的要大得多，所以C3必須存儲(chǔ)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(yáng)能電池板特性確定所需的C3值：

　　太陽(yáng)能電池板MPP的脈沖負(fù)載供電解決方案

　　V P1和V P2是點(diǎn)1和點(diǎn)2處的電壓，對(duì)于該面板而言分別為約9V和6.5V，并且對(duì)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。Z后，我Panel（平均）是當(dāng)面板在MPP的90％以內(nèi)運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)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：

　　太陽(yáng)能電池板MPP的脈沖負(fù)載供電解決方案

　　太陽(yáng)能電池板MPP的脈沖負(fù)載供電解決方案

　　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Z接近的154kΩ標(biāo)準(zhǔn)值。R3應(yīng)該是60.9kΩ，60.4kΩ是Z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(lái)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(dòng)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(huì)損壞負(fù)載性能或數(shù)據(jù)的低電源電壓。

　　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(yáng)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(kāi)電容器的電流是正的 - 電容器將其存儲(chǔ)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(chǔ)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(lái)自C3的電流短暫尖峰。啟動(dòng)期間，需要由C3提供額外的輸入電流。

　　結(jié)論

　　本文展示了一種簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)的電路，用于追蹤脈沖負(fù)載系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板MPP，例如通過(guò)RF發(fā)射器傳輸其數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)。這種拓?fù)湟部梢耘渲脼槿魏翁?yáng)能電池板和任何脈沖負(fù)載。