即使以當前的消耗速度，地球從太陽(yáng)接收的能量是世界使用能量的數千倍。盡管這種潛在能源是免費的，但是獲取、保存和使用這種能源所必需的技術(shù)卻不是免費的。不過(guò)，經(jīng)過(guò)幾十年的蟄伏，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)正在再一次加速，而且太陽(yáng)能的成本也在不斷下降。

自上世紀70年代石油危機以來(lái)，電池技術(shù)已經(jīng)顯著(zhù)改進(jìn)。盡管1970年就可獲得鉛酸蓄電池，但那時(shí)鎳化學(xué)組成的電池仍處于初期，而且實(shí)際上沒(méi)有可再充電的鋰化學(xué)組成的電池。因此，在上一次太陽(yáng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)繁榮期，用于便攜式產(chǎn)品的太陽(yáng)能供電電池充電器的理念根本不存在。

今天，便攜式產(chǎn)品似乎無(wú)所不在，產(chǎn)品設計師夢(mèng)想太陽(yáng)能供電功能出于幾個(gè)原因：他們想向“綠色”轉變；他們沒(méi)有使用電網(wǎng)的機會(huì )；他們只是想通過(guò)任何可獲得的能源延長(cháng)設備的運行壽命。太陽(yáng)能充裕、方便且價(jià)格合理。在偏遠應用中，太陽(yáng)能也許是數量非常有限的幾種可獲得的能源之一。

怎樣獲取和保存太陽(yáng)能

太陽(yáng)能電池板是由光生伏打 (PV) 電池組裝而成的大型系統，是將陽(yáng)光能量轉換成電的最常見(jiàn)方法。盡管存在很多不同的 PV 電池技術(shù)，但是一塊太陽(yáng)能電池板的基本功能仍然保持不變：電池板受到光照時(shí)產(chǎn)生電流。不過(guò)，與一般的電源不同，太陽(yáng)能電池板既不產(chǎn)生恒定電壓，也不產(chǎn)生恒定電流。

圖 1：Kyocera KC40T 特性

Cell Temperature：電池溫度
Current：電流
Power：功率
Voltage：電壓
圖 1 顯示 Kyocera 公司提供的一種 40W 多晶太陽(yáng)能電池板 (KC40T) 的 I-V 曲線(xiàn)。這個(gè)圖突出顯示了設計一個(gè)太陽(yáng)能供電系統的最大設計挑戰之一：在電流負載有相對不太大的變化時(shí)，電池板輸出電壓可能顯著(zhù)變化。此外，該 I-V 曲線(xiàn)隨溫度改變，因此室溫時(shí) 22V 的開(kāi)路電壓在 -10°C 時(shí)可能升高到 25V 左右。

典型太陽(yáng)能電池板效率的變化范圍約為 10% 至 40%。加上較大型 (也即更強大的) 電池板價(jià)錢(qián)更高的實(shí)際情況，太陽(yáng)能供電設計必須最大限度地提高效率，以最大限度地降低系統成本。圖 1 說(shuō)明太陽(yáng)能電池板的輸出功率如何隨著(zhù)電壓和日射率 (測量所接收的太陽(yáng)輻射能量的單位) 而變化。為了獲取和保存盡可能最多的太陽(yáng)能，有必要讓太陽(yáng)能電池板接近其最大功率點(diǎn)運行。

為了在一個(gè)便攜式產(chǎn)品中有效地獲取和保存太陽(yáng)能，該產(chǎn)品必須設計成可管理變化范圍很寬的輸入，并找到讓太陽(yáng)能電池板在或接近其最大功率點(diǎn)運行的方法。此外，產(chǎn)品必須設計成可對便攜式產(chǎn)品首選化學(xué)組成的電池安全充電。

一種簡(jiǎn)單的解決方案

便宜的鉛酸蓄電池充電器簡(jiǎn)單地通過(guò)一個(gè)隔離二極管將 Kyocera  KC40T 這類(lèi)太陽(yáng)能電池板直接連接到電池。鉛酸蓄電池的輸出電壓一般很好地與很多太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)一致，這使得這種方法效率相當高。不過(guò)，盡管這種設計也許簡(jiǎn)單和便宜，但是太陽(yáng)能電池板和電池特性限制了充電電流和充電電壓，從而導致肯定不遵循電池制造商性能規格的充電算法 (除非采用一種慢速、小電流涓流充電)。此外，盡管用鉛酸蓄電池可以接近最大功率，但是如果不為所選擇的電池化學(xué)組成制造定制的電池板，那么這種方法就不能延用于其它化學(xué)組成的電池。沒(méi)有充電控制和缺乏靈活性嚴重限制了這種方法的使用，尤其是對于鋰離子等有復雜充電算法的電池化學(xué)組成來(lái)說(shuō)，更是這樣。

一種更好的解決方案

進(jìn)一步研究圖 1 揭示出一個(gè)有趣的事實(shí)：太陽(yáng)能電池板的峰值輸出功率出現在對所有日射率值大約相同的輸出電壓上。太陽(yáng)能電池板制造商將這個(gè)電壓稱(chēng)為最大功率電壓。凌力爾特公司提供的新型創(chuàng )新性電池充電器 LT3652 利用這個(gè)事實(shí)來(lái)提供一種簡(jiǎn)練的太陽(yáng)能供電電池充電器解決方案，該解決方案從太陽(yáng)能電池板抽取可獲得的最大功率。LT3652 功率跟蹤太陽(yáng)能電池充電器運用一個(gè)調節環(huán)路，如果電池板輸出電壓降至低于設定的值，那么該環(huán)路就降低充電電流。就正在使用的特定太陽(yáng)能電池板而言，這個(gè)輸入電壓調節環(huán)路保持電池板在對應于峰值輸出功率點(diǎn)的輸出電壓上。一個(gè)電阻分壓器設定想要的特定最大功率電壓。此外，LT3652 具有 40V 絕對最大輸入電壓額定值，從而允許它非常容易地滿(mǎn)足大多數太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓要求 (甚至在低溫度情況)。

圖 2：用于 7.2V LiFePO4 電池、具 17V 峰值功率跟蹤的 2A 太陽(yáng)能電池板電源管理器

SOLAR PANEL INPUT：太陽(yáng)能電池板輸入
OC VOLTAGE：開(kāi)路電壓
SYSTEM LOAD：系統負載
2-CELL LiFePO4 (2 x 3.6V) BATTERY PACK：兩節LiFePO4 (2 x 3.6V) 電池組
圖 2 是電池充電器原理圖的一個(gè)例子。連接到 VIN_REG 引腳的電阻分壓器將 LT3652 輸入電壓調節環(huán)路設定到 17V。50m 的檢測電阻設定 2A 的滿(mǎn)充電電流。如果太陽(yáng)光照射情況不允許電池板提供設定的滿(mǎn)充電電流，那么輸入調節環(huán)路就降低充電電流，以在太陽(yáng)能電池板輸出保持 17V。這個(gè)伺服環(huán)路采取行動(dòng)，將電池充電器系統的功率要求動(dòng)態(tài)地降低至電池板可以提供的最大功率，因此可保持太陽(yáng)能電池板峰值功率效率接近 100%�？紤]型號為 340J 的 40W BP 太陽(yáng)能電池板。這個(gè)電池板在最大輸出功率時(shí)的輸出電流約為 2.3A，稍高于 LT3652 的最大充電電流。不過(guò)，隨著(zhù)日射率變化，BP 340J 在最大功率時(shí)的輸出電流也會(huì )變化。圖 3 繪制了相應于 BP 340J 最大輸出功率 95% 和 98% 的電壓曲線(xiàn)。換言之，紅色區域相當于，相對于輸出電流 (即變化的日射率) 變化，對應于 98% 至 100% 最大輸出功率的電壓，而藍色區域相當對應于 95% 至 98% 最大功率的電壓。純黑色線(xiàn)的位置顯示，LT3652 輸入電壓調節環(huán)路保持電池板接近 100% 的最大可獲得功率。

圖 3：太陽(yáng)能電池板輸入電壓調節以高于 98% 的接近度跟蹤最大功率點(diǎn)

Input Voltage Regulation：輸入電壓調節
Charger Output Current：充電器輸出電流
100% to 98% Peak Power：100% 至 98% 的峰值功率

溫度怎么樣？

到這一點(diǎn)，分析和典型曲線(xiàn)都集中于以 25°C 運行的情況。像 P-N 節一樣，PV 電池也有溫度系數。這種溫度系數影響太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓以及其最大功率電壓。典型的最大功率電壓溫度系數范圍為 -0.4 至 -0.5 %/°C。對于 BP 340J 這類(lèi)電池板來(lái)說(shuō)，在 0 至 75°C的工作溫度范圍內，這對應于 5V 或 6V 電壓。LT3652 輸入電壓調節環(huán)路的設計使溫度補償很簡(jiǎn)單。圖 4 顯示一個(gè)用便宜的 3 端器件精確匹配任何太陽(yáng)能電池板溫度系數的原理圖。LM134/234/334 (一個(gè)電流源和溫度傳感器) 測量太陽(yáng)能電池板的溫度，并相應地調節 LT3652 的輸入調節電壓。設計方程式如圖 4 所示，僅需要兩個(gè)輸入：電池板在 25°C 時(shí)的最大功率電壓和這個(gè)電壓的溫度系數 (注：-0.45%/°C 的溫度系數應該輸入為 -0.0045/°C)。

圖 4：用于 LT3652 簡(jiǎn)單的最大功率電壓溫度補償

SOLAR PANEL：太陽(yáng)能電池板
LT3652 的輸入電壓調節環(huán)路可以用其它方法進(jìn)行溫度補償，包括使用一個(gè)晶體管或二極管溫度傳感器或一個(gè)負溫度系數 (NTC) 的熱敏電阻。

靈活性、功能和性能

LT3652 是一個(gè)高性能單片降壓型電池充電器，在 4.95V 至 32V 的輸入電壓范圍內工作 (具 40V 絕對最大額定值)。最大充電電流可以設定為高達 2A，準確度為 5%，而且其電阻可編程浮置電壓滿(mǎn)足鋰離子/聚合物、LiFePO4、鉛酸蓄電池和鎳化學(xué)組成電池的要求。LT3652 可以配置為在充電電流降至低于設定的最大電流的 1/10 時(shí)終止，或用一個(gè)集成的終止定時(shí)器終止。NTC 輸入還提供執行溫度合格充電的能力。圖 2 顯示一個(gè) 2A 兩節 LiFePO4 電池組充電器。當太陽(yáng)能電池板輸出電壓降至低于電池電壓時(shí)，一個(gè)附加的肖特基二極管為系統負載提供電源通路 (PowerPath)。

圖 5 顯示一個(gè)太陽(yáng)能供電的 1A 鉛酸蓄電池充電器。這個(gè)應用運用 1A 恒定電流將電池快速充電至高達 14.4V。當充電電流降至 0.1A 時(shí)，充電器切換到 13.5V 浮置充電模式，直到太陽(yáng)落山為止 (終止定時(shí)器設定為 20 小時(shí))。如果電池電壓降至低于 13.2V，那么快速充電重新啟動(dòng)，而且如果電池電壓低于 10V，就采用涓流充電 (150mA)。如果溫度超出 0°C 至 45°C 的充電范圍，NTC 熱敏電阻就暫停充電。

圖 5：1A 太陽(yáng)能供電的 3 級 12V 鉛酸蓄電池快速/浮置充電器

SOLAR PANEL INPUT：太陽(yáng)能電池板輸入
OC VOLTAGE：開(kāi)路電壓
PEAK POWER VOLTAGE：峰值功率電壓
SYSTEM LOAD：系統負載
LEAD ACID BATTERY：鉛酸蓄電池

結論

太陽(yáng)能為便攜式設備設計師提供很多好處。它常常是偏遠地區惟一可獲得的電源，而且它幾乎是無(wú)限的。隨著(zhù)人們日益增加對可再生能源的興趣，不斷加速的太陽(yáng)能研究和開(kāi)發(fā)將繼續使太陽(yáng)能獲取和保存成本下降�？紤]到太陽(yáng)能固有的間歇性，大多數太陽(yáng)能供電設備都需要電池。不過(guò)，太陽(yáng)能電池充電器必須應對變化范圍很寬的太陽(yáng)能電池板輸出電壓，而且它們必須高效率地從電池板抽取盡可能多的功率。LT3652 功率跟蹤太陽(yáng)能電池充電器為解決這兩個(gè)問(wèn)題提供了一種明顯緊湊型高性能和簡(jiǎn)練的解決方案。