詳解太陽能充電控制器及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　眾所周知，太陽能電池板有一個IV曲線，它表示該太陽能電池板的輸出性能，分別代表著電流電壓數(shù)值。兩條線的交叉點(diǎn)表示的電壓電流就是這塊太陽能電池板的功率。不利的是，IV曲線會隨輻照度、溫度和使用年限而變化。輻照度是給定表面輻射事件的密度，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特?cái)?shù)表示。如果太陽能電池板沒有機(jī)械式陽光追蹤能力，一年中輻照度會隨著太陽的移動變化約±23度。此外，每天從地平線到地平線太陽移動的輻照度變化，可導(dǎo)致輸出功率在一整天的變化。為此，安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一款太陽能電池控制器NCP1294，用來實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的最大峰值功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。本文將介紹該器件的一些主要功能和應(yīng)用時需要注意的問題。

　　增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器

　　NCP1294是一款固定頻率電壓模式PWM前饋控制器，包含電壓模式運(yùn)作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電控制器，NCP1294針對高頻初級端控制操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高達(dá)140 W的太陽能板。這款器件提供的MPPT功能能夠定位最大功率點(diǎn)，并實(shí)時根據(jù)環(huán)境條件來調(diào)節(jié)，使控制器保持接近最大功率點(diǎn)，從而從太陽能板析取最大的電量，提供最佳的能效。

　　此外，NCP1294還具有軟啟動、精確控制占空比限制、低于50 μA的啟動電流、過壓和欠壓保護(hù)等功能。在太陽能應(yīng)用中，NCP1294可以作為一種靈活的解決方案，用在模塊級電源管理（MLPM）解決方案。基于NCP1294的參考設(shè)計(jì)最大功率點(diǎn)追蹤誤差小于5%，可以為串聯(lián)或并聯(lián)的四個電池充電。圖1是NCP1294 120 W太陽能控制器框圖。

　　圖1：安森美半導(dǎo)體的NCP1294 120 W太陽能控制器框圖

　　如圖1所示，該系統(tǒng)的核心是功率段，它必須承受12 V至60 V的輸入電壓，并產(chǎn)生12 V至36 V的輸出。由于輸入電壓范圍覆蓋了所需的輸出電壓，必須有一個降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來支持應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員可以選擇多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：SEPIC、非反相降壓-升壓。反激式、單開關(guān)正激、雙開關(guān)正激、半橋、全橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　設(shè)計(jì)工作包括根據(jù)功率需求的增加隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電池充電狀態(tài)的管理是由適當(dāng)?shù)某潆娝惴ㄍ瓿傻?。太陽能電池板安裝技師可以選擇輸出電壓和電池充電速率。由于控制器要連接到太陽能電池板，它必須具有最大功率點(diǎn)跟蹤，為最終客戶提供高價值?？刂破饔袃蓚€正使能（Enable）電路，一個電路檢測黑夜時間，另一個檢測電池的充電狀態(tài)，使外部電路不會使電池對損壞點(diǎn)放電。由于控制器將由不同程度經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場技術(shù)人員和新手安裝，因此重要的是輸入和輸出必須有反向極性保護(hù)。另外，控制器和電池可能安裝在過熱或過冷的位置，控制器必須采用電池充電溫度補(bǔ)償。設(shè)計(jì)還應(yīng)包括安全功能，如電池過壓檢測和太陽能電池板欠壓檢測。

　　動態(tài)MPPT工作原理

　　為了從功率可變的電源（即太陽能電池板）析取出最大的功率，太陽能控制器必須采用MPPT。MPPT必須首先找到最大功率點(diǎn)并及時調(diào)整環(huán)境條件，以保持控制器接近最大功率點(diǎn)。動態(tài)MPPT用在系統(tǒng)發(fā)生改變的情況下。由于每個開關(guān)周期都在發(fā)生變化，太陽能電池板汲取的功率也會在每個周期有明顯的改變。動態(tài)MPPT利用太陽能電池板的電壓驟降乘以每個開關(guān)周期增加的電流，以確定將要產(chǎn)生的誤差信號來調(diào)節(jié)占空比。動態(tài)響應(yīng)可檢測IV曲線的斜率，從而建立一個功率斜坡，從誤差信號相交點(diǎn)建立一個代表占空比的功率。當(dāng)斜坡變化斜率從正到負(fù)時該周期結(jié)束，如圖2所示。

　　圖2：PWM穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的電壓和電流

　　前饋電壓模式控制

　　在傳統(tǒng)電壓模式控制中，斜坡信號有一個固定的上升和下降斜率。反饋信號僅來自輸出電壓。因此，電壓模式控制線路穩(wěn)壓效果較差，且具有音頻易感性。前饋電壓模式控制源于斜坡信號輸入線路。因此，斜坡的斜率隨輸入電壓而變化。前饋功能也可以提供一個伏秒鉗位，這就限制了輸入電壓和導(dǎo)通時間的最大乘積值。電路中的鉗位電路，如正激和反激式轉(zhuǎn)換器可用來防止變壓器飽和。

　　NCP1294太陽能充電控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)流程

　　當(dāng)選擇太陽能控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，重要的是要了解轉(zhuǎn)換器的基本操作及其局限性。選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非反相四開關(guān)非同步降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換器利用來自NCP1294的控制信號運(yùn)行，Q1和Q2同時導(dǎo)通為L1充電。四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，其中的電感器用來控制電壓和電流。

　　圖3：四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　四開關(guān)非反相降壓-升壓有兩種操作模式，即降壓模式和降壓-升壓模式。在降壓模式下，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸入電壓脈沖，它經(jīng)過LC濾波來產(chǎn)生一個較低的直流輸出電壓。輸出電壓可以通過修改相對于開關(guān)周期或開關(guān)頻率的導(dǎo)通時間來改變。

　　如果輸出電壓可能達(dá)到1％至89％，太陽能控制器即運(yùn)行在降壓模式。如果由于占空比的限制而無法達(dá)到該輸出電壓，它會切換到降壓-升壓模式，此時即可達(dá)到該輸出電壓。從89％到較低占空比的變化，如圖4所示。

　　圖4：多個電池降壓和升壓模式之間的傳遞比

　　需要注意的是，當(dāng)轉(zhuǎn)換器模式從降壓到降壓-升壓切換時，誤差信號將需要一段時間來改變占空比。模式的瞬時變化將使降壓-升壓轉(zhuǎn)換器試圖在89％占空比進(jìn)行切換，并試圖轉(zhuǎn)換至47%；這會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器試圖在失衡區(qū)（trade over region）輸出130 V的結(jié)果。NCP1294通過脈沖電流限制器提供了一個脈沖，可以阻止轉(zhuǎn)換器能量達(dá)到危險(xiǎn)的程度，在占空比條件下實(shí)現(xiàn)緩和過渡。

　　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

　　要創(chuàng)建一個穩(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)生器和功率級使用。由于功率級設(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是一個電壓模式電壓前饋器件，因此需要一個采用輸入電壓修改斜坡的電壓環(huán)路。功率級的輸出電感和電容可形成一個雙極點(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)連接了兩個有限源，將在一天的不同時間為負(fù)載供電，如果是在同一時間將不會供電，除了短暫時間。該系統(tǒng)并不完整，沒有安裝電池和太陽能電池板，因此，有利于電池負(fù)載和太陽能電池板源存在與否的檢測。例如，如果沒有連接電池，在提供電池電壓時，它不會消耗太陽能電池板的能量。如果連接了太陽能電池板，為了尋找要連接的太陽能電池板，電池將被耗盡。檢查太陽能電池板連接和電池連接的一個簡單解決方案是使用低電流消耗比較器。

　　在白天時間系統(tǒng)對電池充電，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)長的時間保持不變。如果一個系統(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)建一個理想的太陽能控制器時，控制器應(yīng)保護(hù)電池或負(fù)載，同時從太陽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購買一個大型太陽能電池板和一個小電池。如果太陽能控制器是在峰值功率下充電，電池充電速度過快，會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)太陽能電池板提供的峰值功率來平衡充電速度。因此，最大電池充電速率的