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标题: 动态电源路径管理简化了太阳能板对电池的充电 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 12:10
标题: 动态电源路径管理简化了太阳能板对电池的充电
太阳能电池通常是由p-n结组成的，入射光线能量（光子）通过导致p-n结电子和空穴的重新组合来产生电流。由于p-n结的特性类似于二极管的特性，因此我们通常以如图1所示的电路作为太阳能电池特性的一个简化模型。

电流源IPH会产生一个和太阳能电池上的光量度成正比的电流。在没有负载连接的情况下，几乎所有产生的电流均流经二极管D1，其正向电压决定了太阳能电池的开路电压 (VOC)。该电压会因不同类型太阳能电池的特性而有所差异。但是，对于大多数硅电池而言，这一电压都在0.5～0.6V之间（这也是p-n结二极管的标准正向电压）。在实际太阳能电池应用中，并联电阻RP的漏电流很小。随着负载电流的增加，IPH产生的大部分电流从二极管中流出来并进入负载。对于大多数负载电流而言，这个过程对于输出电压仅有很小的影响。

图1 太阳能电池简化电路模型

电流源IPH会产生一个和太阳能电池上的光量度成正比的电流。在没有负载连接的情况下，几乎所有产生的电流均流经二极管D1，其正向电压决定了太阳能电池的开路电压 (VOC)。该电压会因不同类型太阳能电池的特性而有所差异。但是，对于大多数硅电池而言，这一电压都在0.5～0.6V之间（这也是p-n结二极管的标准正向电压）。在实际太阳能电池应用中，并联电阻RP的漏电流很小。随着负载电流的增加，IPH产生的大部分电流从二极管中流出来并进入负载。对于大多数负载电流而言，这个过程对于输出电压仅有很小的影响。由于二极管的I-V特性会有轻微的变化，并且由于串联电阻RS的原因（其具有连接损耗），电压会稍有下降，但输出电压却保持大体恒定。然而，有时流经D1的电流太小，从而导致二极管偏置不够，并且二极管两端的电压会随着负载电流的增加而急剧下降。最后，如果所有产生的电流均只流经负载（而不流经二极管），则输出电压就会变为零。这个电流被称为太阳能电池的短路电流(ISC)。ISC和VOC都是定义太阳能电池工作性能的主要参数之一（见图2）。

图2 典型的太阳能电池I-V特性

在大多数应用中，人们都期望太阳能电池能提供尽可能多的电能。由于输出功率是输出电压和电流的乘积，因此就必须确定电池工作区域中的哪一部分所产生的功率值最大，这一点被称为最大功率点(MPP)。当输出电压为其最大数值(VOC)时，输出电流为零，这是一个极端情况；而当输出电流达到最大值(ISC),但输出电压为零时，则是另一种极端情况。在这两种情况下VI的乘积均为零，因此肯定都不是MMP点。我们可以很容易证明（或通过实验进行观察），在任何应用中，MPP一般会出现在太阳能电池输出特性（见图3）下半部分的某个位置。但问题是太阳能电池MPP的确切位置会因入射光线和环境温度不同而变化。所以，设计旨在动态地调节太阳能电池的输出电流，以达到太阳能电量生成系统的最大化，使其在实际应用中能够在MPP点或者其临近点工作。

图3 太阳能电池输出特性

实施这一方案（最大功率点跟踪器）的方法有很多，但都非常复杂，尤其是在卫星等任务关键型系统中。然而，在很多小型应用中，并不需要极其精确的MPP跟踪方案，只需要一个能利用率约90%～95%可用电能的简单低成本解决方案即可。TI线性充电控制器bqTINY-III系列的动态电源路径管理(DPPM)功能就可用于诸如简化MPP跟踪器的实施。

图4 bqTINY-III线性充电器的DPPM工作原理

DPPM功能的主要原理如图4所示。暂时忽略USB输入，电路的工作原理如下：Q1对OUT引脚的电压进行调节，Q2根据一个典型的CC-CV锂离子充电曲线对充电电流进行调节。如果连接至AC引脚的电源电流不足而无法为系统供电并为电池充电，则VOUT开始下降。如果VOUT达到了预定义的阈值VDPPM，bqTINY-III则会自动将充电电流降至一个可保持VDPPM时VOUT的水平。

图5 使用太阳能板对电池进行充电

该特性可用于图5所示的应用。其中，一个太阳能板被用于为一个单体锂离子电池再充电。该太阳能板由若干电池串组成，每个电池串包括11个串联硅电池。它的作用类似于电流限制电压源，电流限制则是由太阳能板的大小以及照射在上面的光量来确定的。

从该太阳能板上获得的最大输出电压(VOC)通常介于5.5～6V之间。因为该电压低于bq24030预定义的6V输出调节电压，Q1被完全开启(turned hard-on)。RSET定义了一个1A的最大充电电流。

如果其超过了太阳能电池的输出电流（取决于光线强弱），太阳能板的输出电压就会下降，从而降低了bq24030 OUT引脚的电压。RDPPM对bq24030进行了编程以自动将ICHG降至一个容许VOUT保持在4.5V的电平。之所以采用VDPPM这个值，是因为它非常符合太阳能板的最大功率点(MPP)。假设Q1两端的电压降为300mV，那么每个电池的电压就将会变为436mV，这样就会最大化太阳能板的功率输出。如果VOUT高于 4.5V，则DPPM就会不起作用，太阳能板的工作状态就会偏离MPP。但是，只有所需的电能少于太阳能板所能提供的电能时，才会发生这样的情况，此时效率的降低不会有太大的影响。如图3所示，随着输出功率逼近MPP，输出功率曲线变得十分平稳，然后突然急剧下降。因此，把VDPPM设置得稍高些比设置得稍低些要好。这样就可以将不恰当的工作点对输出功率的影响最小化。

如果太阳能板提供的电能不足以为系统供电，甚至当电池充电电流已经被降低至零的时候，Q2就会被开启，VOUT将下降到恰好低于电池电压VBAT，而电池则能提供任何太阳能板所不能提供的电流。

bqTINY-III还允许通过USB端口对电池进行充电。在这种情况下，Q3就会被用来调节输入电流，以确保USB规范可根据IC的ISET2引脚状态满足100mA或500mA的要求。如果系统和充电电流的总和超过了所选USB的电流极限，则VOUT就会下降且DPPM功能会降低充电电流，或像从前那样还原为电池补充模式。

编辑：博子

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