中心議題：

• 了解光伏電池電源結構特性
• 討論從單節光伏電池收集能量的方法

解決方案：

• 選擇合適的能量存儲器件
• 采用LTC3105是一種解決方案

 為了簡化儀器、監(jian)視(shi)和(he)控(kong)製(zhi)應(ying)用(yong)的(de)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)所(suo)需(xu)的(de)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)，電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)師(shi)努(nu)力(li)尋(xun)找(zhao)不(bu)依(yi)賴(lai)電(dian)網(wang)的(de)器(qi)件(jian)。電(dian)池(chi)顯(xian)然(ran)是(shi)立(li)即(ji)能(neng)想(xiang)到(dao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，讓(rang)人(ren)們(men)產(chan)生(sheng)了(le)能(neng)不(bu)依(yi)賴(lai)電(dian)網(wang)的(de)幻(huan)想(xiang)，但(dan)是(shi)電(dian)池(chi)需(xu)要(yao)更(geng)換(huan)或(huo)再(zai)充(chong)電(dian)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)最(zui)終(zhong)還(hai)是(shi)要(yao)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)網(wang)上(shang)，而(er)且(qie)需(xu)要(yao)昂(ang)貴(gui)的(de)人(ren)工(gong)幹(gan)預(yu)和(he)維(wei)護(hu)。我(wo)們(men)提(ti)出(chu)用(yong)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)的(de)方(fang)法(fa)
，使(shi)用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)時(shi)，能(neng)量(liang)是(shi)從(cong)緊(jin)挨(ai)著(zhe)儀(yi)器(qi)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)收(shou)集(ji)的(de)
，無(wu)需(xu)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)網(wang)就(jiu)可(ke)以(yi)使(shi)儀(yi)器(qi)永(yong)久(jiu)運(yun)行(xing)，而(er)且(qie)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)少(shao)或(huo)消(xiao)除(chu)了(le)維(wei)護(hu)需(xu)求(qiu)。

可以收集各種環境能源以產生電能

，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範圍
，因為光幾乎到處都有，光伏(PV)電(dian)池(chi)價(jia)格(ge)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)
，而(er)且(qie)與(yu)其(qi)他(ta)環(huan)境(jing)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)相(xiang)比(bi)
，能(neng)產(chan)生(sheng)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)。因(yin)為(wei)光(guang)伏(fu)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)方(fang)法(fa)提(ti)供(gong)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)的(de)能(neng)量(liang)輸(shu)出(chu)，所(suo)以(yi)可(ke)用(yong)來(lai)給(gei)無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)節(jie)點(dian)供(gong)電(dian)，還(hai)可(ke)用(yong)來(lai)給(gei)較(jiao)高(gao)功(gong)率(lv)的(de)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)應(ying)用(yong)供(gong)電(dian)
，以(yi)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)
，從(cong)而(er)在(zai)某(mou)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)完(wan)全(quan)無(wu)需(xu)有(you)線(xian)充(chong)電(dian)。

串chuan聯lian連lian接jie的de高gao壓ya光guang伏fu電dian池chi組zu能neng提ti供gong充chong足zu的de功gong率lv
，但dan單dan節jie光guang伏fu電dian池chi解jie決jue方fang案an卻que很hen少shao見jian，因yin為wei單dan節jie光guang伏fu電dian池chi在zai有you負fu載zai情qing況kuang下xia產chan生sheng的de電dian壓ya很hen低di，從cong這zhe麼me低di的de電dian壓ya難nan以yi產chan生sheng有you用yong的de電dian源yuan軌gui。幾ji乎hu沒mei有you升sheng壓ya型xing轉zhuan換huan器qi能neng從cong電dian壓ya很hen低di、阻抗相對較高的單節光伏電池產生輸出。不過，LTC3105是專門為應對這類挑戰而設計。該器件具有超低的250mV啟動電壓和可編程最大功率點控製

，能從富有挑戰性的光伏電源產生大多數應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並聯來建立光伏電源的電模型，如圖1所示。更複雜的模型可顯示一些次要影響，但是就我們的目的而言
，這個模型足夠充分了。

反映光伏電池特性的兩個常見參數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(suo)示(shi)。請(qing)注(zhu)意(yi)，短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)是(shi)該(gai)模(mo)型(xing)電(dian)流(liu)發(fa)生(sheng)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)，而(er)開(kai)路(lu)電(dian)壓(ya)是(shi)該(gai)模(mo)型(xing)二(er)極(ji)管(guan)的(de)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)。隨(sui)著(zhe)光(guang)照(zhao)射(she)量(liang)的(de)增(zeng)加(jia)，該(gai)發(fa)生(sheng)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)流(liu)也(ye)增(zeng)加(jia)，同(tong)時(shi) IV 曲線向上移動。 [page]
為了從光伏電池抽取最大功率，電源轉換器的輸入阻抗必須與電池的輸出阻抗匹配，從而使係統能在最大功率點上工作。圖3顯示了一個典型的單節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該與功率曲線的峰值點相對應。LTC3105 調tiao節jie提ti供gong給gei負fu載zai的de輸shu出chu電dian流liu，以yi保bao持chi光guang伏fu電dian池chi的de電dian壓ya等deng於yu最zui大da功gong率lv點dian控kong製zhi引yin腳jiao設she定ding的de電dian壓ya。因yin此ci可ke用yong單dan個ge電dian阻zu器qi設she定ding最zui大da功gong率lv點dian


，並bing確que保bao從cong光guang伏fu電dian池chi抽chou取qu最zui大da功gong率lv和he峰feng值zhi輸shu出chu充chong電dian電dian流liu。
可提供多少功率?

用光伏電池可產生多少功率取決於多種因素。電池的輸出功率與投射到電池上的光強度、電池的總麵積以及電池的效率成正比。大多數光伏電池都規定在完全直射的太陽光 (1000W/m2) 下(xia)使(shi)用(yong)，但(dan)是(shi)在(zai)大(da)多(duo)數(shu)應(ying)用(yong)中(zhong)，不(bu)可(ke)能(neng)有(you)這(zhe)麼(me)理(li)想(xiang)的(de)條(tiao)件(jian)。就(jiu)依(yi)靠(kao)太(tai)陽(yang)光(guang)工(gong)作(zuo)的(de)設(she)備(bei)來(lai)說(shuo)，可(ke)從(cong)電(dian)池(chi)獲(huo)得(de)的(de)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)可(ke)能(neng)非(fei)常(chang)容(rong)易(yi)變(bian)化(hua)，由(you)於(yu)天(tian)氣(qi)、季節、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。在充足的太陽光照下
，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。麵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足太陽光的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範圍)。室內應用可用的光照量低得多

，因此呈現了一些設計上的挑戰。即使麵積為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

，也僅能產生860μW功率。

選擇最大功率點控製電壓

圖4顯示了LTC3105 使用的最大功率點控製機製的模型。圖3顯xian示shi了le光guang伏fu電dian池chi的de功gong率lv曲qu線xian。請qing注zhu意yi，當dang電dian池chi電dian壓ya上shang升sheng而er離li開kai峰feng值zhi功gong率lv點dian時shi，光guang伏fu電dian池chi的de功gong率lv就jiu會hui從cong峰feng值zhi點dian急ji劇ju下xia降jiang。因yin此ci，一yi般ban更geng希xi望wang低di於yu理li想xiang值zhi而er不bu是shi高gao於yu理li想xiang值zhi的de控kong製zhi電dian壓ya
，因yin為wei功gong率lv曲qu線xian在zai高gao壓ya端duan下xia降jiang得de更geng快kuai。
[page]
當選擇MPPC跟(gen)蹤(zong)電(dian)壓(ya)時(shi)，各(ge)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)都(dou)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)

，最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)不(bu)會(hui)隨(sui)著(zhe)照(zhao)明(ming)條(tiao)件(jian)的(de)變(bian)化(hua)而(er)顯(xian)著(zhe)移(yi)動(dong)。因(yin)此(ci)，有(you)可(ke)能(neng)做(zuo)到(dao)的(de)是(shi)
，選(xuan)擇(ze)一(yi)個(ge)跟(gen)蹤(zong)電(dian)壓(ya)
，以(yi)在(zai)很(hen)寬(kuan)的(de)照(zhao)明(ming)強(qiang)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)，保(bao)持(chi)靠(kao)近(jin)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)工(gong)作(zuo)。即(ji)使(shi)在(zai)極(ji)端(duan)照(zhao)明(ming)情(qing)況(kuang)下(xia)，工(gong)作(zuo)點(dian)可(ke)能(neng)不(bu)是(shi)準(zhun)確(que)地(di)位(wei)於(yu)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)上(shang)，輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)相(xiang)比(bi)理(li)性(xing)情(qing)況(kuang)的(de)降(jiang)低(di)通(tong)常(chang)也(ye)僅(jin)為(wei)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產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，從而產生了不到3%的功率損失。
作為一個經驗法則
，最大功率點控製電壓應該約為光伏電池開路電壓的75%～80%。讓電池跟蹤這樣的電壓
，所產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shi用yong光guang伏fu電dian源yuan的de應ying用yong麵mian臨lin的de挑tiao戰zhan之zhi一yi是shi
，在zai黑hei暗an和he光guang照zhao量liang較jiao低di的de情qing況kuang下xia，輸shu入ru功gong率lv不bu足zu。就jiu大da多duo數shu應ying用yong而er言yan，這zhe種zhong挑tiao戰zhan使shi得de有you必bi要yao使shi用yong能neng量liang存cun儲chu組zu件jian，例li如ru足zu夠gou大da的de超chao級ji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中上麵的曲線顯示，在天氣晴朗、陽光充足的典型情況下的充電電流；下麵的曲線則顯示，在陰雲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，這相當於給電池提供了總共 6mAh 的充電。 [page]
選擇合適的能量存儲器件

就(jiu)儲(chu)存(cun)收(shou)集(ji)的(de)能(neng)量(liang)而(er)言(yan)
，有(you)很(hen)多(duo)可(ke)選(xuan)方(fang)案(an)，包(bao)括(kuo)種(zhong)類(lei)繁(fan)多(duo)的(de)可(ke)再(zai)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)和(he)高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)電(dian)容(rong)器(qi)。沒(mei)有(you)一(yi)種(zhong)技(ji)術(shu)能(neng)適(shi)用(yong)於(yu)所(suo)有(you)應(ying)用(yong)。為(wei)應(ying)用(yong)選(xuan)擇(ze)存(cun)儲(chu)組(zu)件(jian)時(shi)，要(yao)考(kao)慮(lv)很(hen)多(duo)因(yin)素(su)，包(bao)括(kuo)自(zi)放(fang)電(dian)速(su)率(lv)、最大充電和放電電流、電壓靈敏度和周期壽命。

在(zai)光(guang)伏(fu)應(ying)用(yong)中(zhong)
，自(zi)放(fang)電(dian)速(su)率(lv)尤(you)其(qi)重(zhong)要(yao)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)光(guang)伏(fu)電(dian)源(yuan)應(ying)用(yong)中(zhong)，可(ke)用(yong)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)都(dou)很(hen)有(you)限(xian)，高(gao)的(de)自(zi)放(fang)電(dian)速(su)率(lv)可(ke)能(neng)消(xiao)耗(hao)大(da)部(bu)分(fen)來(lai)自(zi)光(guang)伏(fu)電(dian)源(yuan)的(de)可(ke)用(yong)能(neng)量(liang)。有(you)些(xie)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)組(zu)件(jian) (例如大型超級電容器)自放電電流也許超過100μA，這又可能顯著減少白天充電周期積累的淨電荷。

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的鋰離子幣形電池需要在電池和 LTC3105輸出之間有一個大的電阻器，以防止過流情況。這可能限製能收集的能量，從而減少可用於應用的能量。

在很多情況下，充電速率與另一個重要因素“周期壽命”chengzhengbi。cunchuzujiandezhouqishoumingjuedinggaizujianbuyongweihukeyizaixianchanggongzuoduochangshijian。yibaneryan，gengkuaidechongdianhefangdianhuisuoduanzujiandegongzuoshouming。chaojidianrongqiyongyoufeichangchangdezhouqishouming，eryongxiangduijiaogaodedianliu(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

，最高和最低電壓都必須仔細控製。在LTC3105應用中，最高充電電壓得到了良好控製
，因為當輸出進入穩定狀態後，轉換器終止充電。為了防止過充電
，LTC3105可與LTC4071並聯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解決方案，適用於從低成本
、單節光伏電池收集能量。其集成的最大功率點控製和低壓啟動功能允許直接用單節光伏電池工作，並確保最佳能量抽取。LTC3105可用來直接給電路供電，或給能量存儲器件充電，以允許在黑暗或光照很少時工作。LTC3105使其有可能實現自主遠程傳感器節點、數據收集係統，以及其他要求不依賴電網和最低限度維護的應用。