太陽能電池板電池充電器DIY制作

“你不記得去年天氣有多熱嗎？”Dev 提醒我。“我們需要一些使我們涼爽的東西。噴霧系統(tǒng)會讓我們感到?jīng)隹臁娝梢允箿囟冉档?10 度！”Doug 突然大聲說道。這就是我們?yōu)闇?zhǔn)備參加 2009 年 Burning Man 活動而碰頭兒時開始的一幕。我和 3 個朋友有了 2008 年令人驚喜的體驗(yàn)，決定再次到那個嚴(yán)酷的沙漠環(huán)境走一遭。我們誓言要把生活條件弄得比上次好，因此早早開始籌劃，以確保我們在黑巖城沙漠能舒服一些，這片沙漠在美國內(nèi)華達(dá)州里諾市北 100 英里的地方。

我們渴望舒服一點(diǎn)的條件是，一個基于水霧系統(tǒng)而讓人涼快的解決方案，以克服困擾這片沙漠的干熱空氣。這可以用一臺由電壓源供電、連著一個帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實(shí)現(xiàn)。噴霧系統(tǒng)的成功要素是電源，這個電源也可以用來給 LED 燈供電，以供夜間照明，或者給其它需要電源的外部設(shè)備充電。我們的計劃是，用太陽能電池板給一個海上用的深周期電池充電，然后用這塊電池給其它所有東西供電。隨即，我開始了太陽能電池板電池充電器的設(shè)計。

我有 3 周時間完成設(shè)計。我向朋友 Simon 請求幫助，Simon 以前用凌力爾特公司的 IC 搞過太陽能供電設(shè)計。除了一臺顯示工作原理的樣機(jī)，Simon 還給了我一份原理圖，這臺樣機(jī)從未連上太陽能電池板測試過，但在實(shí)驗(yàn)室做過仿真。我很興奮，有興趣用真實(shí)的太陽能電池板測試這個設(shè)計，我們準(zhǔn)備對樣機(jī)進(jìn)行像樣的測試。

一位朋友借給我兩塊 BP 太陽能電池板 （BP380U）。在大約 20V 最高輸出電壓和 4A 最大輸出電流時，每塊電池板的峰值功率都是 80W （實(shí)際規(guī)格為，在 80W 最大功率時，電壓為 17.6V，電流為 4.55A）。把這兩塊太陽能電池板合起來，我希望在太陽光直接直射在電池板上時，在峰值條件下能有 8A 的總電流。太陽能電池板連接到 Simon 的樣機(jī)上沒有幾分鐘，系統(tǒng)就充分運(yùn)轉(zhuǎn)了 （圖 1 和圖 2）。通過對樣機(jī)的初步測試，查明了幾個故障，后來這給我們節(jié)省了大量時間。

圖 1：測試 BP 太陽能電池板， BP380U （0 至 20V 輸出，4A 峰值功率 80W）

圖 2：最初的太陽能充電電路樣機(jī)，采用 12V 海上用深周期電池 。

樣機(jī)運(yùn)行良好，因此我購買了幾塊凌力爾特公司的演示板，并稍作修改以使其更適合重新設(shè)計過的系統(tǒng)規(guī)格要求。我保持樣機(jī)作為備份和參考，同時我設(shè)計了一個新系統(tǒng)。我們解決了一些故障后，通過這些修改改善了原來的樣機(jī)?？傊軜?gòu)設(shè)計仍然是相同的：用 0 至 20V 的太陽能電池板，以 4A 的恒定電流給一個 12V 的電池充電。

太陽能電池充電器系統(tǒng)設(shè)計

用這些演示板忙活幾天之后，我成功地完成了一個產(chǎn)生預(yù)期效果的設(shè)計，這設(shè)計將適合我們這次旅程。系統(tǒng)的方框圖如圖 3 所示，該圖顯示了一些 IC 和演示板功能。系統(tǒng)的照片如圖 4 所示，顯示了完整的太陽能電池板電池充電器單元。

圖 3：系統(tǒng)設(shè)計方框圖

圖 4：最終的太陽能充電器電路

視太陽的位置不同而不同，太陽能電池板最初的輸出電壓在 0V 到 20V 之間變化，那么就用一個能接受這么寬輸出范圍的穩(wěn)壓器，并保持吸取低的電流 （每個電池板上的輸入電流最大值都是 4A），同時調(diào)節(jié)一個固定的輸出電壓。這是在 DC1198A-B 演示板上用凌力爾特公司的微型模塊 （μModule） DC/DC 降壓-升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器 LTM4607 實(shí)現(xiàn)的。

LTM4607 是一個小型 LGA 封裝 （15mm x 15mm x 2.8mm） 的芯片，其中包括一個復(fù)雜的降壓-升壓型 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器所需的所有支持控制組件。復(fù)雜的開關(guān)控制電路和 FET 內(nèi)置到微型模塊穩(wěn)壓器中，從而使該器件非常容易使用。結(jié)果是僅需一個微型模塊穩(wěn)壓器、電感器以及幾個電容器和電阻器就完成簡潔規(guī)則的布局。4.5V 至 36V 的寬輸入電壓范圍至固定 20V 輸出 （范圍為 0.8V 至 24V） 對于太陽能電池板的特性 （0 至 20V 輸出） 正合適，而且該器件能加載高達(dá) 5A 的升壓模式和 10A 的降壓模式。在太陽能電池板峰值功率時，20V 輸入至 20V/2.5A 輸出的效率是 91%，而且積極利用了降壓-升壓型寬范圍輸入的好處。就這個系統(tǒng)設(shè)計的目的而言，輸出調(diào)節(jié)到 20V，用這個輸出給 LTC1435/LT1620 高效率、低壓差電池充電器系統(tǒng)供電。

在 14V 穩(wěn)定電壓時，LTC1435/LT1620 演示板 （DC133A） 將充電電流控制到穩(wěn)定的 4A.該演示板與 LT1620 數(shù)據(jù)表第一頁上的應(yīng)用電路類似，我將 FB 電阻器 （110k） 換成一個可變電位器，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，并將電池浮置電壓設(shè)置到 14V.該演示板設(shè)計利用 LT1620 軌至軌電流檢測放大器，結(jié)合 LTC1435 開關(guān)穩(wěn)壓器電路的高效率和低壓差能力，形成了一個效率超過 95% 的電池充電器，從而在 4A 充電電流時僅需要 0.5V 輸入至輸出電壓差。一個到地的編程電流設(shè)置電池充電電流 （4A），該電池充電電流一直是穩(wěn)定的，直到電池電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的浮置電壓 （在本文情況下為 14V） 為止。隨著電池達(dá)到其滿充電狀態(tài)，電路的編程將自動轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)，并就電池的輸出電壓而言緩慢降低充電電流。這減輕了由于恒定過沖電給電池造成的壓力。

一個理想二極管電路設(shè)計與 DC133A 充電系統(tǒng)的輸出串聯(lián)，利用 LTC4414 實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，并允許在充電電路以最小損耗運(yùn)行的同時使用電池。這種自動電源通路 （PowerPath？） 控制使外部設(shè)備能夠自由地用太陽能電池板或電池供電。當(dāng)太陽能電池板功率不足時，電路自動轉(zhuǎn)為從電池吸取功率。該電路設(shè)計與 LTC4414 數(shù)據(jù)表第九頁上的圖 2 類似。LTC4414 （8 引線 MSOP 封裝） 控制一個外部 P 溝道 MOSFET，以產(chǎn)生接近理想的二極管功能，用于電源切換。這允許多個電源高效率進(jìn)行“或” 操作；在本文情況下，電源是太陽能電池板和電池。當(dāng)連接一個外部設(shè)備時，電池和充電系統(tǒng)接受負(fù)載狀態(tài)。在無負(fù)載時，將對電池充電。因此該設(shè)計允許一起使用太陽能電池板和電池供電，同時運(yùn)行電池充電過程。這一部分沒有演示板可用，因此我按照定制電路板上的應(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計。