安森美NCP1294太陽(yáng)能充電控制器及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

　　要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的電源，誤差放大器周圍的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須配合PWM發(fā)生器和功率級(jí)使用。由于功率級(jí)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)應(yīng)用設(shè)置的，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須有正確的整體輸出，以確保穩(wěn)定性。NCP1294是一個(gè)電壓模式電壓前饋器件，因此需要一個(gè)采用輸入電壓修改斜坡的電壓環(huán)路。功率級(jí)的輸出電感和電容可形成一個(gè)雙極點(diǎn)，環(huán)路必須為此進(jìn)行補(bǔ)償。

　　系統(tǒng)開啟和電池電流消耗

　　正在創(chuàng)建的系統(tǒng)連接了兩個(gè)有限源，將在一天的不同時(shí)間為負(fù)載供電，如果是在同一時(shí)間將不會(huì)供電，除了短暫時(shí)間。該系統(tǒng)并不完整，沒(méi)有安裝電池和太陽(yáng)能電池板，因此，有利于電池負(fù)載和太陽(yáng)能電池板源存在與否的檢測(cè)。例如，如果沒(méi)有連接電池，在提供電池電壓時(shí)，它不會(huì)消耗太陽(yáng)能電池板的能量。如果連接了太陽(yáng)能電池板，為了尋找要連接的太陽(yáng)能電池板，電池將被耗盡。檢查太陽(yáng)能電池板連接和電池連接的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案是使用低電流消耗比較器。

　　在白天時(shí)間系統(tǒng)對(duì)電池充電，而在夜間電池放電照亮定義的空間。雖然輸入能量不能保證，但輸出能量可在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間保持不變。如果一個(gè)系統(tǒng)的大小不合適，電池可能因放電而損壞。要防止電池?fù)p壞，必須用LED電路抑制操作，防止電池耗盡。

　　輸入和輸出電流的平衡

　　當(dāng)構(gòu)建一個(gè)理想的太陽(yáng)能控制器時(shí)，控制器應(yīng)保護(hù)電池或負(fù)載，同時(shí)從太陽(yáng)能電池板提取最大的能量。不幸的是，在現(xiàn)實(shí)世界中顧客或安裝人員可能會(huì)購(gòu)買一個(gè)大型太陽(yáng)能電池板和一個(gè)小電池。如果太陽(yáng)能控制器是在峰值功率下充電，電池充電速度過(guò)快，會(huì)縮短電池壽命或可能發(fā)生爆炸?？刂破鲬?yīng)該做的是管理電池需求，根據(jù)太陽(yáng)能電池板提供的峰值功率來(lái)平衡充電速度。因此，最大電池充電速率的設(shè)定和選擇方案是需要確定如何限制系統(tǒng)的輸出電流。電流的設(shè)定是通過(guò)NCP1294所提供3.3V基準(zhǔn)和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)完成的。短接一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)接口(header)將實(shí)現(xiàn)不同的電流限制值。

　　反極性保護(hù)

　　除了正常的太陽(yáng)能電池板瞬態(tài)，還有四種不同的輸入輸出連接可能性。第一種情況，輸入和輸出連接正確，無(wú)需保護(hù)。第二種情況，輸入電壓反向連接。如果在這種情況下允許電流流過(guò)，那么所有輸出二極管都可能損壞。

　　不過(guò)，在圖5所示B或C的輸入端串聯(lián)一個(gè)二極管就可以保護(hù)所有器件。串聯(lián)二極管的一個(gè)缺點(diǎn)是，它會(huì)連續(xù)耗散系統(tǒng)功率。如果反向極性保護(hù)二極管放在高電流系統(tǒng)中，損耗可能會(huì)很大。實(shí)施反極性保護(hù)的另一種方法是放置一個(gè)二極管，例如，當(dāng)施加反向電壓時(shí)它會(huì)使保險(xiǎn)絲開路，如圖5 D所示。選擇的保險(xiǎn)絲可以是一個(gè)用戶可更換或波利熱熔斷器。保險(xiǎn)絲可以提供必要的保護(hù)，但可能導(dǎo)致不太好的用戶體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)二極管反向極性保護(hù)的低損耗方式是使用MOSFET，當(dāng)施加的電壓極性正確時(shí)MOSFET導(dǎo)通，而在電壓極性不正確時(shí)關(guān)閉。圖5 E所示。

　　圖5：反極性的輸入端連接

　　在第三種情況下，輸出是反極性連接，輸入是正確連接，功率元件可能會(huì)損壞。由于源假定為鉛酸電池，保護(hù)至關(guān)重要，因?yàn)閾p壞的元件可能消耗大量的能量。圖5 B顯示了防止反向輸出電壓的方法之一。

　　最后一種情況是輸入和輸出的連接都不正確。在這種情況下，如果設(shè)計(jì)人員實(shí)施了第二和第三種保護(hù)，輸入和輸出都將受到保護(hù)。設(shè)計(jì)人員不應(yīng)忽略電壓抑制器，它安裝在瞬態(tài)電壓的輸入端，其極性可能正確或不正確。因此，重要的是要有雙向瞬態(tài)抑制器，能夠承受正常反極性電壓而不會(huì)損壞。

　　電池充電

　　鉛酸電池充電有三個(gè)階段：恒流充電或大電流充電、吸收或恒壓模式，以及浮充電。在大電流充電期間，電流保持恒定，這是由NCP1294脈沖電流限制和電流設(shè)置電路的脈沖完成的。除非最大功率點(diǎn)低于這個(gè)水平，電流都將保持在設(shè)計(jì)人員或用戶設(shè)定的充電速率，此時(shí)將充電到最大功率點(diǎn)調(diào)整率。

　　OOV比較器

　　NCP1294配備了一個(gè)OOV比較器，可以監(jiān)測(cè)輸出電池電壓，以確定是否反饋機(jī)制已損壞，或遠(yuǎn)程檢測(cè)受到超過(guò)電池溫度補(bǔ)償?shù)碾姵仉妷旱挠绊?。?dāng)斷開OOV時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉。比較器可用在系統(tǒng)輸入或系統(tǒng)輸出，但推薦用作輸出的故障安全機(jī)制。當(dāng)使用單電池系統(tǒng)時(shí)，可以使用18V的觸發(fā)點(diǎn)(trip point)或基于充電狀態(tài)設(shè)置觸發(fā)點(diǎn)。如果使用浮動(dòng)電壓狀態(tài)，需要設(shè)置15 V為觸發(fā)電壓。

　　OUV功能

　　NCP1294的欠壓鎖定功能(OUV)功能可監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓，以確定是否輸入電壓水平會(huì)導(dǎo)致熱問(wèn)題。OUV可以獨(dú)立監(jiān)測(cè)輸入電壓，以確保輸入電壓在理想水平，從而提供最大輸出功率。

　　OTP功能

　　由于太陽(yáng)能控制器可能以不恰當(dāng)?shù)姆绞绞褂茫ㄗh對(duì)降壓主開關(guān)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定它是否超過(guò)了最高溫度水平。如果主MOSFET的溫度已超過(guò)了適當(dāng)?shù)乃?，過(guò)溫保護(hù)(OTP)可以抑制電流以減少系統(tǒng)功耗。

　　熱管理

　　NCP1294是一個(gè)低功耗器件。一旦確定了IC功耗，設(shè)計(jì)人員可以計(jì)算出所需的熱阻抗，以保持最差環(huán)境溫度下指定的結(jié)溫。太陽(yáng)能控制器的熱性能受PCB布局影響很大。在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)格外小心，以確保IC和電源開關(guān)在建議的環(huán)境條件下工作。任何電源設(shè)計(jì)都應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室測(cè)試，以確保在最差工作條件下設(shè)計(jì)所需的功耗。在測(cè)試過(guò)程中考慮的變量應(yīng)包括最高環(huán)境溫度、最小氣流、最大輸入電壓、最大負(fù)載和元件變化(即最差情況下MOSFET的RDSON)。

　　太陽(yáng)能電池板

　　NCP1294評(píng)估板支持的太陽(yáng)能電池板在5 W和120 W之間。這里考慮的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)類型的太陽(yáng)能電池板。最常見類型的太陽(yáng)能電池是晶體硅，它有兩種主要類型：?jiǎn)尉Ч韬投嗑Ч?。單晶硅能效最高，但生產(chǎn)也比較昂貴，通常僅限于商業(yè)和住宅應(yīng)用。非晶太陽(yáng)能電池板由涂覆在不銹鋼或類似材料上的熔融硅薄膜構(gòu)成。晶體結(jié)構(gòu)非常脆弱，通常夾在兩片玻璃之間，以利于保護(hù)。單晶硅的效率為18%，多晶硅為15%，非晶態(tài)為10%。

　　圖6：太陽(yáng)能控制器電路板

　　利用這個(gè)功能豐富而靈活的解決方案，工程師可以根據(jù)不同太陽(yáng)能電池板的要求開發(fā)出適用的產(chǎn)品，讓最終用戶享用到先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)帶來(lái)的便利和更好的使用體驗(yàn)。