太陽能光伏電能的完整單芯片處理方法/DETA dryflex

　　為了簡化儀器、監(jiān)視和控制使用的無線通信所需的配電系統(tǒng)，電源設計師努力尋找不依靠電網(wǎng)的器件。電池顯然是不依靠電網(wǎng)的處理方法，但是電池要更換或再充電，這意味著最終還是要連接到電網(wǎng)上，而且要昂貴的人工干預和維護。我們提出用能量收集的辦法，使用這種辦法時，能量是從緊挨著儀器的環(huán)境中收集的，無需連接到電網(wǎng)就可以使儀器永久運行，而且最大限度地削減或消除了維護需求。

　　可以收集各種環(huán)境能源以萌生電能，包括機械振動、溫度差和入射光。其中，光伏能量收集有廣泛的適用范圍，因為光幾乎到處都有，光伏(pV)電池價格相對較低，而且與其他環(huán)境能量收集處理方法相比，能萌生相對較高的功率。因為光伏能量收集辦法供應相對較高的能量輸出，所以可用來給無線傳感器節(jié)點供電，還可用來給較高功率的電池充電使用供電，以延長電池壽命，從而在某些情況下完全無需有線充電。

　　串聯(lián)連接的高壓光伏電池包能供應充分的功率，但單節(jié)光伏電池處理方法卻很少見，因為單節(jié)光伏電池在有負載情況下萌生的電壓很低，從這么低的電壓難以萌生有用的電源軌。幾乎沒有升壓型轉換器能從電壓很低、阻抗相對較高的單節(jié)光伏電池萌生輸出。不過，LTC3105是專門為應對這類挑戰(zhàn)而設計。該器件具有超低的250mV啟動電壓和可編程最大功率點控制，能從富有挑戰(zhàn)性的光伏電源萌生大多數(shù)使用所需的典型電壓軌(1.8～5V)。

　　了解光伏電池電源

　　可以用一個電流源與一個二極管并聯(lián)來建立光伏電源的電模型，如圖1所示。更復雜的模型可顯示一些次要影響，但是就我們的目的而言，這個模型足夠充足了。

　　反映光伏電池特性的兩個常見參數(shù)是開路電壓和短路電流。光伏電池的典型電流和電壓曲線如圖2所示。請留意，短路電流是該模型電流發(fā)生器的輸出，而開路電壓是該模型二極管的正向電壓。隨著光照射量的新增，該發(fā)生器萌生的電流也新增，同時IV曲線向上移動。

　　為了從光伏電池抽取最大功率，電源轉換器的輸入阻抗非得與電池的輸出阻抗匹配，從而使系統(tǒng)能在最大功率點上工作。圖3顯示了一個典型的單節(jié)光伏電池的功率曲線。為了確保抽取最大功率，光伏電池的輸出電壓應當與功率曲線的峰值點相對應。LTC3105調節(jié)供應給負載的輸出電流，以保持光伏電池的電壓等于最大功率點控制引腳設定的電壓。因此可用單個電阻器設定最大功率點，并確保從光伏電池抽取最大功率和峰值輸出充電電流。

　　可供應多少功率?

　　用光伏電池可萌生多少功率取決于多種因素。電池的輸出功率與投射到電池上的光強度、電池的總面積以及電池的效率成正比。大多數(shù)光伏電池都規(guī)定在完全直射的太陽光(1000W/m2)下使用，但是在大多數(shù)使用中，不可能有這么理想的條件。就依賴太陽光工作的設備來說，可從電池獲得的峰值功率可能非常容易變化，由于天氣、季節(jié)、煙霧、灰塵和太陽光入射角的變化，今天與明天相比有可能相差10倍。在充分的太陽光照下，晶體電池視電池特性的不同而有所不同，典型輸出功率約為每平方英寸40mW。面積為幾平方英寸的光伏電池足夠給多個遠程傳感器供電以及給電池涓流充電了。

　　相比之下，靠室內照明光工作的設備可用能量要少得多。常見的室內照明光的強度約為充分太陽光的0.25%(室內照明光強度與太陽光強度的巨大差別難以察覺，因為人眼能適應很寬的光照強度范圍)。室內使用可用的光照量低得多，因此呈現(xiàn)了一些設計上的挑戰(zhàn)。即使面積為4平方英寸的大型高效率晶體電池，在典型辦公室照明條件下，也僅能萌生860μW功率。

　　選擇最大功率點控制電壓

　　圖4顯示了LTC3105使用的最大功率點控制機制的模型。圖3顯示了光伏電池的功率曲線。請留意，當電池電壓上升而離開峰值功率點時，光伏電池的功率就會從峰值點急劇下降。因此，一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制電壓，因為功率曲線在高壓端下降得更快。

　　當選擇MppC跟蹤電壓時，各種不同的工作條件都非得考慮。一般情況下，最大功率點不會隨著照明條件的變化而顯著移動。因此，有可能做到的是，選擇一個跟蹤電壓，以在很寬的照明強度范圍內，保持靠近最大功率點工作。即使在極端照明情況下，工作點可能不是準確地位于最大功率點上，輸出功率相比理性情況的降低通常也僅為5%～10%。就圖5所示功率曲線而言，0.4V的MppC電壓在兩種極端照明條件下都萌生接近最大功率點的性能。在這兩種情況下，與最大功率點之間的電壓差約為20mV，從而萌生了不到3%的功率損失。

　　作為一個相關經(jīng)驗法則，最大功率點控制電壓應當約為光伏電池開路電壓的75%～80%。讓電池跟蹤這樣的電壓，所萌生的電池輸出電流為短路電流的75%～80%。

　　在室外照明情況下給鋰離子電池充電

　　使用光伏電源的使用面對的挑戰(zhàn)之一是，在黑暗和光照量較低的情況下，輸入功率不足。就大多數(shù)使用而言，這種挑戰(zhàn)使得有必要使用能量存儲組件，例如足夠大的超級電容器或可再充電電池，以在最長預期黑暗時間內也能正常供電。

　　利用圖6所示的LTC3105電路和一個2英寸×1英寸的多晶光伏電池給鋰離子電池充電，所測得的充電電流曲線如圖7所示。圖7中上面的曲線顯示，在天氣晴朗、陽光充分的典型情況下的充電電流;下面的曲線則顯示，在陰云密布時觀察到的充電電流。即使在這類光照量很低的情況下，在整個白天也能保持250μA或更大一些的充電電流，這相當于給電池供應了總共6mAh的充電。

　　選擇適宜的能量存儲器件

　　就儲存收集的能量而言，有很多可選方法，包括種類繁多的可再充電電池技術和高能量密度電容器。沒有一種技術能適用于所有使用。為使用選擇存儲組件時，要考慮很多因素，包括自放電速率、最大充電和放電電流、電壓靈巧度和周期壽命。

　　在光伏使用中，自放電速率尤其緊要。在大多數(shù)光伏電源使用中，可用充電電流都很有限，高的自放電速率可能消耗大部分來自光伏電源的可用能量。有些能量存儲組件(例如大型超級電容器)自放電電流也許超過100μA，這又可能顯著削減白天充電周期積累的凈電荷。

　　另一個關鍵考慮因素是能量存儲器件的充電速率。例如，最大充電電流為300μA的鋰離子幣形電池要在電池和LTC3105輸出之間有一個大的電阻器，以戒備過流情況。這可能限制能收集的能量，從而削減可用于使用的能量。

　　在很多情況下，充電速率與另一個緊要因素“周期壽命”成正比。存儲組件的周期壽命決定該組件不用維護可以在現(xiàn)場工作多長時間。一般而言，更快的充電和放電會縮短組件的工作壽命。超級電容器擁有非常長的周期壽命，而用相對較高的電流(電荷》1C)給電池充電會縮短壽命。除了充電和放電速率，每個充電/放電周期的深度也可能影響電池壽命，周期越深，壽命越短。某些類型的電池，尤其是鋰離子電池和薄膜電池，最高和最低電壓都非得仔細控制。在LTC3105使用中，最高充電電壓得到了良好控制，因為當輸出進入穩(wěn)定狀態(tài)后，轉換器終止充電。為了戒備過充電，LTC3105可與LTC4071并聯(lián)電池充電器一起使用，如圖8所示。

　　結論

　　LTC3105是一款完整的單芯片處理方法，適用于從低成本、單節(jié)光伏電池收集能量。其集成的最大功率點控制和低壓啟動功能準許筆直用單節(jié)光伏電池工作，并確保最佳能量抽取。LTC3105可用來筆直給電路供電，或給能量存儲器件充電，以準許在黑暗或光照很少時工作。LTC3105使其有可能實現(xiàn)自主遠程傳感器節(jié)點、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，以及其他要求不依靠電網(wǎng)和最低限度維護的使用。