太陽(yáng)能是綠色能源，而且是“免費”的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會(huì )導致太陽(yáng)能電池板的最佳功率提供點(diǎn)偏移，此外設備老化、局部光照被遮擋、日落、落上動(dòng)物糞便等，都可能妨礙太陽(yáng)能電池板的性能。由于這些可靠性和可變性問(wèn)題，幾乎所有太陽(yáng)能供電設備都采用可再充電電池以提供備份電源。過(guò)去一度僅使用鉛酸電池，現在所用電池種類(lèi)已經(jīng)擴大到包括鋰電池了。太陽(yáng)能供電應用之所以配備再充電系統，是為了抽取盡可能多的太陽(yáng)能，以迅速給電池充電以及保持電池的電荷狀態(tài)。此外，當太陽(yáng)能電池板得到的光照很少或沒(méi)有光照時(shí)，電池漏電很重要，無(wú)論何時(shí)只要可能，就應該減到最少。

顯然，太陽(yáng)能供電應用正處于上升階段�，F在，有各種不同尺寸的太陽(yáng)能電池板給各種各樣的創(chuàng )新應用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實(shí)機、海上浮標燈等。有些太陽(yáng)能供電應用采用的電池是深度循環(huán)類(lèi)電池，能承受很多個(gè)反復充電周期以及深度放電。這類(lèi)電池常見(jiàn)于“離網(wǎng)”(即與電力公司電網(wǎng)斷開(kāi)) 可再生能源系統，例如太陽(yáng)能或風(fēng)能發(fā)電系統。就離網(wǎng)系統而言，系統運行時(shí)間非常重要，因為這類(lèi)系統很難靠近。

太陽(yáng)能電池板基礎知識

就一定量的光能和工作條件而言，太陽(yáng)能電池板在某一特定輸出電壓上產(chǎn)生峰值輸出功率。圖 1 所示為由 72 節電池組成的太陽(yáng)能電池板在電池板溫度為 60ºC 時(shí)的特性。虛線(xiàn) (藍色線(xiàn)) 代表電池板的 I-V 曲線(xiàn)，X 軸表示電池板電壓。實(shí)線(xiàn) (紅色線(xiàn)) 表示當電池板電壓從 0V 變化到電池板開(kāi)路電壓時(shí)電池板產(chǎn)生的輸出功率，電池電壓變化是用簡(jiǎn)單的負載箱實(shí)現的。就此處所述這一特定情況而言，最大功率點(diǎn)在 32V，該電池板可提供 140W 功率。如果允許電池板溫度變化，在真實(shí)情況中這當然是允許的，那么最大功率點(diǎn)可能在大熱天的 28V 到寒冷冬天的 44V 之間變化。

圖 1：在不存在局部光照被遮擋的情況下，一個(gè)給定太陽(yáng)能電池板的較簡(jiǎn)單功率曲線(xiàn)

很多較簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能充電系統將電池板電壓工作點(diǎn)設定為固定值。在上述特定電池板情況下，這類(lèi)較簡(jiǎn)單的系統會(huì )將電池板工作點(diǎn)設定到 32V，以在給定溫度時(shí)抽取最大功率，而這例子的溫度為 60ºC。不過(guò)，當電池板溫度變化時(shí)，會(huì )浪費大量功率，因為電池板不再在真正的最大功率點(diǎn)上工作了。在這類(lèi)情況下，可能浪費 20% 至 30% 以上的可用功率。

使情況變得更糟的是，按照已實(shí)行的安全標準，大多數電池板必須在太陽(yáng)能電池陣列中裝上旁路二極管。這么做的原因是，當部分電池板被遮住而得不到太陽(yáng)光照射，而其他部分得到充足陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)能電池板有一些特定表現。這時(shí)，被遮住的太陽(yáng)能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過(guò)，因為其他得到充足光照的電池正在提供電流。被遮住的電池溫度可能上升，這有可能造成火災。為了幫助降低火災風(fēng)險，制造商在電池板各處都放置了旁路二極管。圖 2 顯示，在上述 72 節電池的太陽(yáng)能電池板上，旁路二極管是怎樣放置的。

圖 2：出于安全考慮，在 72 節電池的太陽(yáng)能電池板上放置了 3 個(gè)旁路二極管

由于電池板中存在旁路二極管，當部分電池板被遮擋時(shí)，就可能出現復雜的功率電壓特性。圖 3 顯示了這種情況，其中出現了兩個(gè)局部最大功率點(diǎn)，一個(gè)在 21V 電壓處，另一個(gè)在 37V 電壓處。如果采用前述簡(jiǎn)單的 32V 功率點(diǎn)設定方法，那么可獲得 79.4W 功率，而不是在真正最大功率點(diǎn) 21V 上可獲得的 90.1W。這表明，在這種情況下?lián)p失了 13.5% 的功率。顯然，可跟蹤真正最大功率點(diǎn)并在其上工作的系統會(huì )有卓越功率表現。

圖 3：當太陽(yáng)能電池板被部分遮擋時(shí)，會(huì )產(chǎn)生較復雜的功率曲線(xiàn)

太陽(yáng)能供電可再充電電池系統的設計挑戰

太陽(yáng)能電池板的典型效率約在 5% 至 15% 之間�？紤]到較大型 (即更強大) 的電池板成本更高，所以太陽(yáng)能供電設計必須最大限度提高效率，以最大限度降低系統總體成本。

太陽(yáng)能供電產(chǎn)品要有效收集太陽(yáng)能，其設計必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時(shí)還能夠使太陽(yáng)能電池板在最大功率點(diǎn)或其附近工作。此外，該設計必須能夠安全地給該產(chǎn)品選擇使用的化學(xué)組成電池充電。

在太陽(yáng)能充電系統中，還會(huì )遇到其他設計問(wèn)題。就任意給定太陽(yáng)能供電系統而言，固件開(kāi)發(fā)和調試可能需要大量時(shí)間。如果太陽(yáng)能電池板的最佳功率提供點(diǎn)可以低于、等于或高于電池電壓 (這是非常常見(jiàn)的情況)，那么會(huì )需要更加復雜的降壓-升壓型拓撲。降壓-升壓型拓撲允許真正的雙向隔離 (與降壓型拓撲相比，如果電池板沒(méi)得到光照，那么它可能通過(guò) NMOS 的體二極管和電感器耗盡電池電量)。 為保護電池，需要恰當的電壓終止。最后，既然電池板不是可靠的電源，那么就需要電池原地充電 (充電器給電池饋電，且負載連接到電池)，在這種情況下，電池既是電源，又作為“緩沖器”使用。

什么是最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)，為什么需要 MPPT?

最大功率點(diǎn)跟蹤這種方法有助于在所有工作條件下從太陽(yáng)能電池板抽取最多能量。以下列舉了某些這類(lèi)非理想工作條件：

• 電池板部分被遮擋 (樹(shù)葉、鳥(niǎo)糞、陰影、雪等)
• 電池板的溫度變化
• 電池板老化

例如，在離網(wǎng)太陽(yáng)能電池板系統中，電源系統故障代價(jià)高昂�？蛻�(hù)希望盡可能從電池板抽取最多能量。此外，他們希望最大限度延長(cháng)兩次太陽(yáng)能供電系統維護之間的正常運行時(shí)間。

真正的有源 MPPT 會(huì )找出所有條件下的最佳工作點(diǎn)。這會(huì )降低系統總體成本，因為可以使用最小的電池板或最小的電池，從而減少過(guò)度設計系統的需求。真正的 MPPT 會(huì )發(fā)現最佳峰值功率點(diǎn)，并剔除假的局部最大功率點(diǎn)，這種局部最大功率點(diǎn)在部分被遮擋的電池板中很常見(jiàn) (注：電池板部分被遮擋時(shí)的供電模式由電池板內部旁路二極管的數量和安排決定)。

一種簡(jiǎn)單的 IC 解決方案

解決上述問(wèn)題的 IC 充電解決方案需要具備以下即使不是全部、也是很多特性：

• 最短的軟件和固件開(kāi)發(fā)時(shí)間
• 靈活的降壓 / 升壓型拓撲
• 有源 MPPT 算法
• 簡(jiǎn)單、自主運行 (無(wú)需微處理器)
• 面向各種不同電池化學(xué)組成的終止算法
• 原地充電  ─  向負載供電的同時(shí)給電池充電
• 寬輸入電壓范圍以適合各種不同的電源
• 寬輸出電壓范圍以應對多個(gè)電池組
• 高輸出 / 充電電流
• 小型、扁平解決方案
• 先進(jìn)的封裝以提高熱性能和空間占用效率
• 成本效益的解決方案

典型的復雜太陽(yáng)能電池充電系統由一個(gè) DC-DC 開(kāi)關(guān)電池充電器、一個(gè)微處理器和幾個(gè) IC、以及分立式組件組成，以實(shí)現最大功率點(diǎn)控制 / 跟蹤功能。另一種可能的解決方案是太陽(yáng)能模塊。不過(guò)這些解決方案費用高昂、復雜而不易設計 (需要軟件、固件等)，而且往往鎖定到假的太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)上，因此無(wú)法以盡可能高的效率運行。幸運的是，由于凌力爾特推出了 LT8490 降壓-升壓型太陽(yáng)能供電電池充電控制器，所以有了一種簡(jiǎn)單易用的解決方案。

一種高效率太陽(yáng)能供電解決方案

凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單、創(chuàng )新的高壓降壓-升壓型充電控制器 IC，該 IC 專(zhuān)門(mén)針對太陽(yáng)能應用，既不需要開(kāi)發(fā)軟件也不需要開(kāi)發(fā)固件，因此極大地縮短了產(chǎn)品上市的進(jìn)程。

圖 4 所示 LT8490 是一款面向鉛酸和鋰電池的同步降壓-升壓型電池充電控制器，具備自動(dòng)最大功率點(diǎn)跟蹤和溫度補償功能。該器件的輸入電壓可以高于、低于或等于穩定的電池浮置電壓。LT8490 的全功能電池充電器提供很多可選恒定電流恒定電壓 (CC-CV) 充電曲線(xiàn)，非常適合給各種鋰或鉛酸化學(xué)組成的電池充電，包括密封鉛酸電池、凝膠電池和富液式鉛酸電池。所有充電終止算法都內置在芯片中，從而無(wú)需軟件或固件開(kāi)發(fā)，因此節省了設計時(shí)間。

圖 4：LT8490 的典型應用電路

LT8490 在很寬的 6V 至 80V 輸入電壓范圍內工作，采用 4 開(kāi)關(guān)同步整流和單個(gè)電感器就可產(chǎn)生 1.3V 至 80V 電池浮置電壓輸出。視外部 FET 選擇的不同而不同，該器件能夠提供高達 10A 的充電電流。LT8490 的 MPPT 電路能夠在太陽(yáng)能電池板的整個(gè)工作范圍內工作，即使電池板部分被遮擋而導致存在局部最大功率點(diǎn)，它也能找出真正的最大功率點(diǎn)。一旦發(fā)現真正的最大功率點(diǎn)，LT8490 就在該點(diǎn)上工作，同時(shí)運用高頻抖動(dòng)方法快速地跟蹤局部最大功率點(diǎn)的變化。通過(guò)這種方法，即使在非理想工作環(huán)境中，LT8490 也能夠充分利用太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的功率。

MPPT的全面搜索如圖 5 所示。黃色曲線(xiàn) (圖中較高位置) 顯示電池板輸出電壓。LT8490 控制電池板電壓達到開(kāi)路電壓，然后再控制電池板線(xiàn)性斜坡下降至最低值。紅色曲線(xiàn) (圖的中部位置) 顯示隨電池板電壓變化的電池板電流。LT8490 測量該電流，然而在內部計算功率。一旦全面掃描完成，電池板電壓就返回到所測得的最大功率點(diǎn)。

圖 5：LT8490 MPPT 的全面搜索  ──  黃色曲線(xiàn) (圖中較高位置) – 電池板電壓；紅色曲線(xiàn) (圖的中部位置) – 電池板電流；綠色曲線(xiàn) (圖中較低位置) – 來(lái)自L(fǎng)T8490 的控制信號

高頻抖動(dòng)方法用來(lái)跟蹤兩次全面搜索之間最大功率點(diǎn)產(chǎn)生的較小變化，如圖 6 所示。大約在示波器圖形的中間部位，給電池板加上了一次功率點(diǎn)變化，以模仿由于天空中云的移動(dòng)而改變電池板光照量的情況。這時(shí)，LT8490 先在高于、然后在低于目前 MPPT 點(diǎn)的范圍，以小幅度連續移動(dòng)電池板電壓，以檢查是否存在一個(gè)更好的工作點(diǎn)。如果發(fā)現有，就跟蹤到新的點(diǎn)上，并重復上述過(guò)程。通過(guò)這種方式，LT8490 不必太頻繁地進(jìn)行全面搜索就能夠跟蹤變化。

圖 6：LT8490 在兩次全面搜索之間進(jìn)行局部高頻抖動(dòng)  ──  黃色曲線(xiàn)( 圖中較高位置) – 電池板電壓；紅色曲線(xiàn) (圖中較低位置) – 電池板電流；綠色曲線(xiàn) (圖的中部位置) – 來(lái)自 LT8490 的控制信號

LT8490 通過(guò)檢測電池上的外部熱敏電阻器，進(jìn)行自動(dòng)溫度補償。STATUS 和 FAULT 引腳可用來(lái)驅動(dòng) LED 指示器燈。充電電流限制可通過(guò)改變 1 或兩個(gè)電阻器來(lái)調節，用合適的電阻器分壓器可選擇充電時(shí)間長(cháng)度。該器件的其他特點(diǎn)包括：輸入和充電電流限制引腳、一個(gè) 3.3V 穩定 LDO 輸出、狀態(tài)引腳和可同步固定開(kāi)關(guān)頻率。

LT8490 采用扁平 (0.75mm) 64 引腳 7mm x 11mm QFN 封裝。該器件保證工作在 -40°C 至 125°C 溫度范圍。

器件主要特點(diǎn)：

• VIN 范圍：6V 至 80V
• VBAT 范圍：1.3V 至 80V
• 單個(gè)電感器允許 VIN 高于、低于或等于 VBAT
• 自動(dòng)搜索以尋找真正的 MPPT 點(diǎn)
• 支持很多類(lèi)型的鉛酸和鋰電池
• LED 驅動(dòng)器用于狀態(tài)指示
• 內置電池充電算法
• 自動(dòng)浮置電壓溫度補償
• 輸入和輸出電流監視器引腳
• 可同步固定頻率：100kHz 至 400kHz
• 64 引腳 7mm x 11mm x 0.75mm QFN 封裝

結論

太陽(yáng)能既環(huán)保又隨時(shí)可用，但是可能不那么可靠。溫度變化導致 MPPT 點(diǎn)移動(dòng)、老化、電池板部分被遮擋、太陽(yáng)落山、鳥(niǎo)糞等都可能降低電池板性能。凌力爾特已經(jīng)開(kāi)發(fā)出降壓-升壓型開(kāi)關(guān)穩壓器電池充電器 LT8490，可實(shí)現適合大多數電池類(lèi)型的恒定電流恒定電壓 (CC-CV) 充電曲線(xiàn)，例如鉛酸電池 (密封 SLA、富液式、凝膠) 和鋰電池。該器件還為太陽(yáng)能供電應用提供自動(dòng)和高效的真正最大功率點(diǎn)跟蹤。因為無(wú)需軟件或固件開(kāi)發(fā)，所以極大地縮短了系統上市時(shí)間。與大型和復雜的同類(lèi)充電系統相比，LT8490 也是一款具成本效益和更加簡(jiǎn)單的解決方案。該器件極大地簡(jiǎn)化了過(guò)去非常困難的設計任務(wù)。