簡介

使用幾瓦范圍內(nèi)的太陽能電池板的戶外應(yīng)用通常使用基于微控制器的MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）功能來提取最大功率可在各種環(huán)境條件下使用。許多基于微控制器的MPPT解決方案設(shè)計(jì)用于20W至500W，功耗約為20-100mW，同時(shí)連續(xù)抖動太陽能電池板的工作電壓，以便仔細(xì)跟蹤最大功率點(diǎn)。對于20W至500W的面板，這種經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)運(yùn)行良好，因?yàn)镸PPT電路消耗的能量與通過有效MPPT算法獲得的額外能量相比微不足道。

然而，對于使用1W面板的應(yīng)用，太陽能電池板可能只有100mW可用于冬季的大部分時(shí)間或大部分安裝。像這樣的應(yīng)用可以從太陽能電池充電器中獲益，該充電器需要更少的靜態(tài)電流來在最大功率點(diǎn)操作面板。一個(gè)例子可能是太陽能傳感器，它可以更頻繁地報(bào)告，或者現(xiàn)在可以在沒有電池更換的情況下運(yùn)行更長時(shí)間。另一個(gè)例子是商用太陽能照明，現(xiàn)在可以在更加不利的照明條件下或在減小面板尺寸的情況下運(yùn)行。

LT8611 42V，2.5A同步降壓穩(wěn)壓器，具有電流檢測和2.5μA靜態(tài)電流在非常寬的充電電流范圍內(nèi)提供非常高效的功率轉(zhuǎn)換，這對于許多太陽能動力電池充電器來說是至關(guān)重要的。 LT8611具有輸出電壓和輸出電流調(diào)節(jié)環(huán)路，可用于在電池充電器中提供CC和CV功能。本文介紹了LT8611如何與AD5245數(shù)字電位器和外部微控制器配合使用，設(shè)計(jì)出一種微功率太陽能MPPT電池充電器，可在低光照條件下充電至高達(dá)2.5A的所有面板條件下保持高效率。實(shí)施此解決方案需要軟件開發(fā)。假設(shè)讀者想要開發(fā)或調(diào)整他們自己的MPPT算法以在外部微控制器上運(yùn)行。

本文中使用的術(shù)語MPPT和MPPC先前已在以下文章中討論過：

最大化太陽能電池板功率輸出的技術(shù)

80V降壓 - 升壓鉛酸和鋰電池充電控制器積極發(fā)現(xiàn)太陽能應(yīng)用中的真正最大功率點(diǎn)

MPPC（電池電壓相關(guān)）

要開始討論如何使用LT8611啟用MPPT功能，讓我們從LT8611數(shù)據(jù)表中的4.1V / 1A CCCV鋰離子電池充電器示例電路開始：

例如，考慮當(dāng)Vmp為9V的光線充足的1W太陽能電池板連接到該電路和鋰離子電池的電壓為3.8V時(shí)會發(fā)生什么。使能時(shí)，LT8611將嘗試將輸出電壓提升至4.1V，最高可達(dá)1A。由于1W面板無法提供此功率電平，面板電壓將低于面板的Vmp，剛好高于電池電壓加上二極管D1的VF。

輸入電壓調(diào)節(jié)將被添加到該電路使LT8611將降低電池充電電流并將太陽能電池板工作電壓維持在其最大功率點(diǎn)。作為第一步，考慮當(dāng)我們從輸入電壓添加一個(gè)電阻分壓器并將中點(diǎn)饋送到LT8611的TR / SS引腳時(shí)會發(fā)生什么，如下所示：

LT8611的輸出誤差放大器具有內(nèi)部970mV參考電壓，并且該電路的輸出分壓比的大小使得當(dāng)電池電壓達(dá)到4.1V時(shí)FB引腳將達(dá)到970mV。當(dāng)電池電壓為3.8V時(shí)，由于輸出分壓器，F(xiàn)B引腳上的電壓將為900mV。 LT8611的跟蹤功能可以使TR / SS引腳驅(qū)動至低于970mV，F(xiàn)B引腳將被調(diào)節(jié)至等于TR / SS電壓的電壓。如果此輸入電阻分壓比的大小使得當(dāng)面板電壓處于9V的最大功率點(diǎn)時(shí)TR / SS為900mV，LT8611跟蹤功能將降低輸出電壓（因此降低電池充電電流）以維持電池電壓為3.8V時(shí)輸入電壓為9V。此時(shí)，電路具有輸入調(diào)節(jié)或MPPC環(huán)路，其依賴于電池電壓，這不是非常有用。對于運(yùn)行太陽能電池板MPPT掃描的微控制器，它必須能夠控制輸入調(diào)節(jié)電壓。

MPPT

輸入電壓的調(diào)整可以類似于調(diào)整電壓調(diào)節(jié)器輸出的方式實(shí)現(xiàn)。這通常通過使用連接到誤差放大器輸入的控制電壓和串聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn) - 在這種情況下為TR / SS引腳。還可以使用來自微控制器或DAC的濾波PWM輸出來實(shí)現(xiàn)控制電壓。 PWM或DAC選項(xiàng)可提供硬件簡單性和最低成本，因?yàn)檫@些功能通常包含在許多微控制器中。

然而，這些功能通常不在微控制器的最低功耗狀態(tài)下可用，通常消耗約1mW。如果1mW的功率損耗對應(yīng)用來說并不重要，這可能是最合適的技術(shù)，因?yàn)镻WM控制已證明在該電路中工作得相當(dāng)好。為了節(jié)省1mW的功率損耗并減少掃描太陽能電池板工作范圍所需的時(shí)間，可以使用數(shù)字電位器。

AD5245 256位I 2 C兼容數(shù)字電位計(jì)僅從其VDD電源吸收幾微安，可提供高達(dá)100kΩ的值。如果我們將輸入分壓器中的頂部電阻設(shè)置為309kΩ并使用變阻器配置的AD5245以及底部分壓器中的一系列6.2kΩ電阻，我們可以通過I 將輸入電壓調(diào)節(jié)目標(biāo)從4.5V調(diào)節(jié)到40V 2 C，同時(shí)消耗很少的額外功率（見下圖3）。一旦AD5245被編程為以最大功率點(diǎn)操作面板，微控制器就可以進(jìn)入低功耗睡眠模式。除微控制器的休眠電流（通常低于10μA）外，沒有額外的電流消耗。

要運(yùn)行MPPT掃描，AD5245代碼從高電阻逐步降至低電阻，使面板從開路電壓降至4.5V，而LT8611的IMON輸出由ADC監(jiān)控以跟蹤電池充電電流。產(chǎn)生最大電池充電電流的AD5245代碼用作組合太陽能電池板和充電電路的最大工作點(diǎn)。一旦AD5245代碼設(shè)置為以最大功率點(diǎn)操作面板，微控制器將進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

讓我們考慮MPPT掃描之間發(fā)生的情況，這些掃描通常計(jì)劃以15分鐘的間隔運(yùn)行。對于太陽輻照度的相對快速變化，如通過云層，沒有微控制器參與。輸入分壓器和LT8611跟蹤功能將繼續(xù)在最大功率點(diǎn)操作面板，而電池充電電流將隨著太陽輻照度而變化。

所有電池都有一些小的內(nèi)部阻抗，并且會有一些小的阻抗電池充電器和電池之間。該組合阻抗通常小于100mΩ，但由于電池充電電流的相應(yīng)變化，在通過云蓋期間會導(dǎo)致LT8611輸出電壓的輕微變化。這些電池電壓的變化反映在LT8611 FB引腳上。由于LT8611跟蹤功能將FB引腳調(diào)節(jié)到與TR / SS引腳相同的電壓，因此太陽能電池板的工作電壓將隨著太陽輻照度的增加而略有增加。這往往有利于MPP跟蹤效率，因?yàn)樘柲茈姵匕遄畲蠊β庶c(diǎn)電壓隨著太陽輻照度的增加而略有增加。

在較長時(shí)間內(nèi)，電池將充電。如果未更新AD5245代碼，相應(yīng)的電池電壓增加將增加太陽能電池板調(diào)節(jié)的電壓。微處理器需要定期運(yùn)行MPPT掃描并相應(yīng)調(diào)整AD5245，以便在電池充電時(shí)保持最佳的面板電壓。

下面提供了微控制器LT8611，AD5245和LTC4412的完整原理圖：

2.6V鉗位用于保護(hù)LT8611 TR / SS引腳，該引腳具有4V ABS MAX額定值使AD5245抽頭引腳保持低于其由電池供電的VDD引腳。使用我們在ThinSOT中的LTC4412低損耗PowerPath控制器作為理想二極管控制器，消除了圖2中D1的VF壓降。通過在LT8611的輸出端使用LTC4412，當(dāng)沒有太陽能供電時(shí)，電池消耗最小化。

這里有意省略一些實(shí)施細(xì)節(jié)，以保持上述示意圖簡化，討論相對較短。但是，某些應(yīng)用程序可能會有一些進(jìn)一步的增強(qiáng)功能。例如，使用MCU將LT8611 SYNC引腳驅(qū)動為高電平或低電平有助于在MPPT掃描期間保持IMON輸出在整個(gè)輸出電流范圍內(nèi)有效，并在掃描完成后將其切換回來以保持最高效率。此外，該電路能夠以非常低的功率水平操作面板。在非常低的功率水平下，當(dāng)面板掃描運(yùn)行時(shí)，很難測量IMON輸出中的峰值。在這種情況下，采用MPPT算法通常是最有益的，該MPPT算法在MPPT掃描期間讀取面板電壓和IMON輸出。如果未找到IMON輸出峰值，則MCU可以將AD5245代碼設(shè)置為操作太陽能電池板的值，該電壓是開路面板電壓的某個(gè)預(yù)定比率。最后一種技術(shù)并不罕見，在低功耗MPPT算法中非常有效。

結(jié)論

在極低功率情況下，由于執(zhí)行MPPT掃描能量，因此增加MPPT掃描間隔是有益的。為了確定MPPT掃描是否值得運(yùn)行，不僅可以知道實(shí)時(shí)充電電流，還可以跟蹤自上次掃描以來累積的電荷量。我們的LTC2942電池電量監(jiān)測計(jì)具有溫度，電壓測量功能，可用于通過I 2 C跟蹤累積電荷，并確定算法的有效性。它還使MCU能夠動態(tài)平衡功耗與累積電量。 LTC2942是一款精確且功耗極低的電量監(jiān)測計(jì)，在累計(jì)電量時(shí)僅消耗70uA電流。 LTC2942還具有關(guān)斷模式，可在不使用時(shí)使用。對于更高的電池電壓，我們的LTC2943多節(jié)電池電量監(jiān)測計(jì)具有溫度，電壓和電流測量功能，LTC2944 60V電池電量監(jiān)測計(jì)可以使用溫度，電壓和電流測量。對于更高的充電電流，我們的LT8613 42V同步降壓穩(wěn)壓器具有電流檢測和3μA靜態(tài)電流，最高可以使用6A。