针对脉冲负载应用的简易太阳能电池板最大功率点追踪解决方案
2012-09-18
作者：Chris Glaser，德州仪器(TI) 应用工程师
引言
许多太阳能电池板供电型应用只需功率脉冲便可运行。我们需要频繁地开启数据收集或者测量采样系统，执行测量或者其他任务，发送经过处理或者测量的数据，然后再回到睡眠模式。在许多情况下，以无线方式发送这些数据消耗掉了大部分输出功率。如太阳能电池板等小功率电源，通常难以支持系统本身或者数据发送所需的这些功率脉冲。通过让太阳能电池板工作在最大功率点(MPP)，并且智能地从电池板获取功率，以实现对电能的管理，从而顺利地驱动脉冲负载。本文将为您介绍一种简单且高成本效益的最大功率点追踪(MPPT) 解决方案，以供这类脉冲负载系统使用。
太阳能电池板特性
在最大功率点工作时，太阳能电池板可提供峰值输出功率。最大功率点是一个与电池板最高可达输出功率相对应的电压和电流。在光照水平不断变化的情况下，最大功率点追踪方法对来自太阳能电池板的功率进行管理。太阳能电池板的一个特性是，电池板电压随电池板输出电流增加而下降。如果输出电流过高，则电池板电压崩溃，并且输出功率变得非常低。图1 描述了特定太阳能电池板输出电流及输出功率与其输出电压之间的比较情况。最大功率点已被标示出来。图中，一条水平绿线条表明输出功率至少为90% 最大功率点时的位置。该线条以上，在“点1”和“点2”之间时，电池板输出功率最大。
图1太阳能电池板最大功率点图
当太阳能电池板供电型负载仅要求功率脉冲并且不需要全时段供电时，让其工作在90% 最大功率点以下的一种简单方法是，在“点1”开启负载，而在“功率点2”关闭负载。当负载开启时，其获得要求的功率，从而使电池板电压下降。这样，工作点便从“点1”开始移动，经过最大功率点，最终超过“点2”。在“点2”时，负载关闭，电池板电压再次上升。即使是这种简单的操作，我们也必须解决3 个问题。
首先，相比电池板输出，负载可能会要求不同的电压。因此，我们需要使用一种高效的电源，以将不稳定且相对较高的电池板电压转换为负载可用的恒定电压。
其次，我们需要测量电池板电压，并且根据该电压来关闭或者开启电源。大多数电源都利用一个数字输入来实现开启或者关闭功能。这种输入有一个大概的阈值，以区分逻辑低电平和逻辑高电平。使用这种非精确阈值时，电池板电压便无法直接到达开启状态的输入端。因此，我们需要使用一种具有精确阈值的外部电路。我们可以使用电源电压监测器，但添加器件会带来成本和复杂度的增加。
最后，必须让快速变化的电池板电压慢下来，以便获得充足的工作时间，完成规定的任务。电池板电压从“点1”变到“点2“几乎无需时间——理论上为零秒。这时，当电压从“点1”变到“点2”时，必须开启负载电源，而负载必须完成其任务。这就要求电源拥有非常快速的开启能力，并且能够长时间保持电池板电压，以便完成需要执行的任务。
最大功率点追踪解决方案
我们很难找到一款单器件、低成本的解决方案。它需要使用宽电压范围的功率受限型太阳能电池板输入，同时还要能够高效地提供稳定的输出电压、快速的启动，并且能够在90% 最大功率点以下工作。TI TPS62125 就是一个这类器件，它可以接受高达17V 的输入电压，拥有90% 以上的工作效率，启动时间小于1 ms，并且拥有一个使用精确阈值的开启输入引脚，其可以直接连接至太阳能电池板电压，以实现最大功率点追踪。这样，便无需添加额外器件来实现这种功能。图2 显示了一套完整的解决方案。
图2脉冲负载的最大功率点追踪电路
由R1 和R2 组成的分压器，用于在图1 所示“点1”时开启电源。在电源开启以前，该器件本身会把R2 和R3 之间的这个节点一直保持在地电位。电源开启以后，器件释放该节点，R3便为分压器的组成部分。当太阳能电池板电压降至“点2”时，器件关闭节点，并再次保持R2 和R3 之间节点的低电压。这时，电池板电压再次开始上升，直到其达到开启阈值为止。这样便实现一种完全可编程的开启和关闭电压，其可用于任何太阳能电池板。
大容量输入电容C3 存储来自太阳能电池板的能量，以在规定时间为负载提供功率，并且为电源启动供电。电池板向电源或者C3 提供与其电压相对应的电流。当电源处于关闭状态时，太阳能电池板向电容提供电流。当电源开启时，电容和太阳能电池板为负载提供所需电流。由于C3 只是存储能量，然后在相对较长的一段时间内释放存储的能量，就此而言C3 不失为一款低成本的电解质电容。
所需大容量输入电容计算方法
最大功率点追踪电路设计的第一步是，确定负载的功率需求，然后根据功率要求和所选用的太阳能电池板，计算出所需大容量输入电容的大小。例如，假设一个遥感电路要求250mA 电流下电压为3.3V（825 mW），且供电时间为15 ms。对于包含有测量器件、微处理器和RF 发射器的系统而言，这是一种基本需求。
在确定负载的功率需求以后，我们需要计算出C3 的要求值。首先，为负载供电所需的输入电流可以通过方程式1 计算得到：
VIN为图1所示“点1”和“点2”之间的平均太阳能电池板电压，而η为给定输出功率的电源效率。请注意，VIN约为7.8V 且输出功率为825mW 时，电源效率一般为87% 左右。利用这些数值，可以计算得到IIN=122mA，远大于图1 所示太阳能电池板的输出能力，因此C3 必须存储足够的能量，以提供缺少的那部分电流，并且持续时间为15 ms。方程式2 根据负载要求和太阳能电池板特性，计算出要求的C3 值：
VP1和VP2为“点1”和“点2”之间的电压，使用这种太阳能电池板时，它们分别约为9V 和6.5V，其与放电时C3 的电压变化相对应。tON时的要求负载工作时间为15ms。最后，Ipanel(Avg)为电池板工作在其90% 最大功率点以下时，太阳能电池板所提供的平均电流。如图1 所示，该电流约为19mA。
由方程式2，我们可以知道C3 应大于618 µF。使用680-µF 电容，可以在器件工作时提供一定的裕量。
开启引脚分压器计算
R1、R2 和R3 共同形成了一个具有开启(EN) 引脚磁滞的完全可配置分压器。方程式3 和4 用于设置电阻器值：
我们首先选择R1，而1 MΩ 是一个较为合适的起始值。这样，通过计算，可以得到R2 为153.8 kΩ。我们选择最接近标准值154 kΩ。R3 应为60.9 kΩ，而60.4 kΩ 是最接近标准值。
其他最大功率点追踪电路配置
可使典型应用受益的另一种可配置特性是，利用电源良好(PG) 输出来控制负载的开启(EN) 输入。当电源关闭时，PG 引脚保持低电平。仅当电源开启且输出电压在调节状态下时，上拉电阻器R6 将其拉高。把PG 输出直接连接至负载EN输入，可使负载保持关闭，直到输入电压升至VP1以上且输出电压高到足以正常驱动负载为此。由于输入电压降至VP2时电源关闭，因此PG 引脚被有源拉低，从而又让负载关闭。这种配置，可以保证仅在其电源电压处于调节状态下时才开启负载，从而避免出现可能会破坏负载性能或者数据的低电源电压。
测试结果
图3 显示了运行中的最大功率点追踪电路。电池板电压VIN保持在9V 和6.5V（分别为VP1和VP2）之间。一旦VOUT进入调节状态，负载开启，并且获取250mA 电流。当电池板电压降至6.5V 时，VOUT关闭，并从而关闭负载电流。太阳能电池板始终提供19mA的平均电流。图3 中，负载拥有约18ms 的运行时间，可以满足15ms 要求。该运行时间并未与上述计算结果完全一致，而C3 值有所增加，超出了计算结果。
图3 90%最大功率点以下工作的最大功率点追踪电路
图4 用来自C3 的电流ICap的轨迹线，代替图3 所示输出电压轨迹线。VIN下降时，来自电容的电流为正—电容向电源提供其存储能量，之后负载获得该能量。一旦负载关闭，由于电池板电压降至6.5V，并且电源关闭，C3 提供的电流变为负—电容通过电池板再充电，为下一个周期存储能量。电池板电压足够高的情况下，当电源开启时，来自C3 的电流在负载开启以前出现短暂尖峰。启动期间，需要C3 提供更多的输入电流。
图4 90%最大功率点以下工作的电路的大容量输入电容(C3)
结论
本文论述了一款简单且低成本的太阳能电池板最大功率点追踪电路，其适用于脉冲负载系统，例如：通过RF 发射器发送数据的遥测系统。另外，我们还可以对这种拓扑结构进行相应配置，用于任何太阳能电池板和脉冲负载系统。
相关网站
http://www.ti.com.cn/lsds/ti_zh/analog/powermanagement/power_portal.page