太陽能充電控製器的中心議題：

• 太陽能充電控製器的設計要點

太陽能充電控製器的解決方案：

• 係統開啟和電池電流消耗
• 輸入和輸出電流的平衡

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值。兩條線的交叉點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。輻照度是給定表麵輻射事件的密度
，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特數表示。如果太陽能電池 板沒有機械式陽光追蹤能力，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，可導致輸出功率在一整天的變 化。為此

，安森美半導體開發了一款太陽能電池控製器NCP1294，用來實現太陽能電池板的最大峰值功率點跟蹤（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用時需要注意的問題。

增強型電壓模式PWM控製器
NCP1294是一款固定頻率電壓模式PWM前饋控製器，包含電壓模式運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撲結 構的充電控製器
，NCP1294針對高頻初級端控製操作進行了優化，具有逐脈衝限流及雙向同步功能
，支持功率最高達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
，並實時根據環境條件來調節，使控製器保持接近最大功率點，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
、精確控製占空比限製、低於50 μA的啟動電流
、過壓和欠壓保護等功能。在太陽能應用中，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。基於 NCP1294的參考設計最大功率點追蹤誤差小於5%
，可以為串聯或並聯的四個電池充電。圖1是NCP1294 120 W太陽能控製器框圖。

圖1：安森美半導體的NCP1294 120 W太陽能控製器框圖

如圖1所示
，該係統的核心是功率段，它必須承受12 V至60 V的輸入電壓
，並產生12 V至36 V的輸出。由於輸入電壓範圍覆蓋了所需的輸出電壓
，必須有一個降壓-升壓拓撲結構來支持應用。設計人員可以選擇多種拓撲結構：SEPIC、非反相降壓-升 壓。反激式
、單開關正激、雙開關正激、半橋、全橋或其他拓撲結構。

設(she)計(ji)工(gong)作(zuo)包(bao)括(kuo)根(gen)據(ju)功(gong)率(lv)需(xu)求(qiu)的(de)增(zeng)加(jia)隔(ge)離(li)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)。電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)的(de)管(guan)理(li)是(shi)由(you)適(shi)當(dang)的(de)充(chong)電(dian)算(suan)法(fa)完(wan)成(cheng)的(de)。太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)安(an)裝(zhuang)技(ji)師(shi)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)速(su) 率。由於控製器要連接到太陽能電池板，它必須具有最大功率點跟蹤

，為最終客戶提供高價值。控製器有兩個正使能(Enable)電路
，一個電路檢測黑夜時 jian，lingyigejiancedianchidechongdianzhuangtai
，shiwaibudianlubuhuishidianchiduisunhuaidianfangdian。youyukongzhiqijiangyoubutongchengdujingyandexianchangjishurenyuanhexinshouanzhuang，yincizhongyaodeshishuruheshuchubixuyou 反(fan)向(xiang)極(ji)性(xing)保(bao)護(hu)。另(ling)外(wai)，控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)電(dian)池(chi)可(ke)能(neng)安(an)裝(zhuang)在(zai)過(guo)熱(re)或(huo)過(guo)冷(leng)的(de)位(wei)置(zhi)，控(kong)製(zhi)器(qi)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)溫(wen)度(du)補(bu)償(chang)。設(she)計(ji)還(hai)應(ying)包(bao)括(kuo)安(an)全(quan)功(gong)能(neng)，如(ru)電(dian)池(chi)過(guo)壓(ya)檢(jian)測(ce)和(he)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)欠(qian) 壓檢測。[page]

動態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
，太陽能控製器必須采用MPPT。MPPT必須首先找到最大功率點並及時調整環境條件
，以 保持控製器接近最大功率點。動態MPPT用在係統發生改變的情況下。由於每個開關周期都在發生變化，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MPPT利用太陽能電池板的電壓驟降乘以每個開關周期增加的電流，以確定將要產生的誤差信號來調節占空比。動態響應可檢測IV曲線的斜率，從而建立一 個功率斜坡，從誤差信號相交點建立一個代表占空比的功率。當斜坡變化斜率從正到負時該周期結束，如圖2所示。

圖2：PWM穩壓轉換器的電壓和電流

前饋電壓模式控製
在zai傳chuan統tong電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi中zhong
，斜xie坡po信xin號hao有you一yi個ge固gu定ding的de上shang升sheng和he下xia降jiang斜xie率lv。反fan饋kui信xin號hao僅jin來lai自zi輸shu出chu電dian壓ya。因yin此ci，電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi線xian路lu穩wen壓ya效xiao果guo較jiao差cha，且qie具ju有you音yin頻pin易yi感gan性xing。前qian 饋kui電dian壓ya模mo式shi控kong製zhi源yuan於yu斜xie坡po信xin號hao輸shu入ru線xian路lu。因yin此ci，斜xie坡po的de斜xie率lv隨sui輸shu入ru電dian壓ya而er變bian化hua。前qian饋kui功gong能neng也ye可ke以yi提ti供gong一yi個ge伏fu秒miao鉗qian位wei，這zhe就jiu限xian製zhi了le輸shu入ru電dian壓ya和he導dao通tong時shi間jian的de最zui大da乘cheng積ji值zhi。 電路中的鉗位電路，如正激和反激式轉換器可用來防止變壓器飽和。

NCP1294太陽能充電控製器應用設計流程
當選擇太陽能控製器拓撲結構時，重要的是要了解轉換器的基本操作及其局限性。選擇的拓撲結構是非反相四開關非同步降壓-升壓拓撲結構。轉換器利用來 自NCP1294的控製信號運行，Q1和Q2同時導通為L1充電。四開關降壓-升壓拓撲結構如圖3所示
，其中的電感器用來控製電壓和電流。

圖3：四開關降壓-升壓拓撲結構

 
四開關非反相降壓-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，轉換器產生輸入電壓脈衝，它經過LC濾波來產生一個較低的直流輸出電壓。輸出電壓可以通過修改相對於開關周期或開關頻率的導通時間來改變。

如果輸出電壓可能達到1％至89％，太陽能控製器即運行在降壓模式。如果由於占空比的限製而無法達到該輸出電壓

，它會切換到降壓-升壓模式
，此時即可達到該輸出電壓。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，當轉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-升壓轉換器試圖在89％占空比進行 切換
，並試圖轉換至47%
；這會導致轉換器試圖在失衡區(trade over region）輸出130 V的結果。NCP1294通過脈衝電流限製器提供了一個脈衝，可以阻止轉換器能量達到危險的程度
，在占空比條件下實現緩和過渡。[page]

補償網絡
要創建一個穩定的電源，誤差放大器周圍的補償網絡必須配合PWM發生器和功率級使用。由於功率級設計的標準是根據應用設置的，補償網絡必須有正確的 整體輸出，以確保穩定性。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路。功率級的輸出電感和電容可形成一個雙 極點

，環路必須為此進行補償。

係統開啟和電池電流消耗
正(zheng)在(zai)創(chuang)建(jian)的(de)係(xi)統(tong)連(lian)接(jie)了(le)兩(liang)個(ge)有(you)限(xian)源(yuan)，將(jiang)在(zai)一(yi)天(tian)的(de)不(bu)同(tong)時(shi)間(jian)為(wei)負(fu)載(zai)供(gong)電(dian)，如(ru)果(guo)是(shi)在(zai)同(tong)一(yi)時(shi)間(jian)將(jiang)不(bu)會(hui)供(gong)電(dian)，除(chu)了(le)短(duan)暫(zan)時(shi)間(jian)。該(gai)係(xi)統(tong)並(bing)不(bu)完(wan)整(zheng)，沒(mei)有(you)安(an)裝(zhuang)電(dian)池(chi)和(he)太(tai)陽(yang) 能neng電dian池chi板ban
，因yin此ci
，有you利li於yu電dian池chi負fu載zai和he太tai陽yang能neng電dian池chi板ban源yuan存cun在zai與yu否fou的de檢jian測ce。例li如ru，如ru果guo沒mei有you連lian接jie電dian池chi，在zai提ti供gong電dian池chi電dian壓ya時shi，它ta不bu會hui消xiao耗hao太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de能neng量liang。如ru果guo連lian接jie了le 太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)，為(wei)了(le)尋(xun)找(zhao)要(yao)連(lian)接(jie)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)
，電(dian)池(chi)將(jiang)被(bei)耗(hao)盡(jin)。檢(jian)查(zha)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)連(lian)接(jie)和(he)電(dian)池(chi)連(lian)接(jie)的(de)一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)使(shi)用(yong)低(di)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)比(bi)較(jiao)器(qi)。

zaibaitianshijianxitongduidianchichongdian，erzaiyejiandianchifangdianzhaoliangdingyidekongjian。suiranshurunengliangbunengbaozheng，danshuchunengliangkezaixiangdangchangdeshijianbaochibubian。ruguoyigexitongdedaxiaobuheshi，dianchikenengyinfangdianersunhuai。yaofangzhidianchisunhuai，bixuyongLED電路抑製操作，防止電池耗盡。

輸入和輸出電流的平衡

當(dang)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)理(li)想(xiang)的(de)太(tai)陽(yang)能(neng)控(kong)製(zhi)器(qi)時(shi)，控(kong)製(zhi)器(qi)應(ying)保(bao)護(hu)電(dian)池(chi)或(huo)負(fu)載(zai)，同(tong)時(shi)從(cong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)提(ti)取(qu)最(zui)大(da)的(de)能(neng)量(liang)。不(bu)幸(xing)的(de)是(shi)，在(zai)現(xian)實(shi)世(shi)界(jie)中(zhong)顧(gu)客(ke)或(huo)安(an)裝(zhuang)人(ren)員(yuan)可(ke)能(neng)會(hui)購(gou)買(mai)一(yi) gedaxingtaiyangnengdianchibanheyigexiaodianchi。ruguotaiyangnengkongzhiqishizaifengzhigonglvxiachongdian，dianchichongdiansuduguokuai
，huisuoduandianchishouminghuokenengfashengbaozha。kongzhiqiyinggaizuodeshiguanlidianchixu qiu
，genjutaiyangnengdianchibantigongdefengzhigonglvlaipinghengchongdiansudu。yinci，zuidadianchichongdiansulvdeshedinghexuanzefanganshixuyaoquedingruhexianzhixitongdeshuchudianliu。dianliudeshedingshitongguo NCP1294所提供3.3V基準和電阻分壓器網絡完成的。短接一個或多個轉接口（header）將實現不同的電流限製值。

反極性保護
chulezhengchangdetaiyangnengdianchibanshuntai，haiyousizhongbutongdeshurushuchulianjiekenengxing。diyizhongqingkuang，shuruheshuchulianjiezhengque，wuxubaohu。dierzhongqingkuang
，shurudianyafanxianglianjie。ruguozaizhezhongqingkuangxiayunxudianliuliuguo，namesuoyoushuchuerjiguandoukenengsunhuai。

不過，在圖5所示B或C的輸入端串聯一個二極管就可以保護所有器件。串聯二極管的一個缺點是，它會連續耗散係統功率。如果反向極性保護二極管放在高 電流係統中，損耗可能會很大。實施反極性保護的另一種方法是放置一個二極管，例如
，當施加反向電壓時它會使保險絲開路，如圖5 Dsuoshi。xuanzedebaoxiansikeyishiyigeyonghukegenghuanhuobolirerongduanqi。baoxiansikeyitigongbiyaodebaohu


，dankenengdaozhibutaihaodeyonghutiyan。shixianerjiguanfanxiangjixingbaohudedisunhaofangshi 是使用MOSFET，當施加的電壓極性正確時MOSFET導通
，而在電壓極性不正確時關閉。圖5 E所示。

圖5：反極性的輸入端連接

在(zai)第(di)三(san)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，輸(shu)出(chu)是(shi)反(fan)極(ji)性(xing)連(lian)接(jie)，輸(shu)入(ru)是(shi)正(zheng)確(que)連(lian)接(jie)
，功(gong)率(lv)元(yuan)件(jian)可(ke)能(neng)會(hui)損(sun)壞(huai)。由(you)於(yu)源(yuan)假(jia)定(ding)為(wei)鉛(qian)酸(suan)電(dian)池(chi)，保(bao)護(hu)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)損(sun)壞(huai)的(de)元(yuan)件(jian)可(ke)能(neng)消(xiao)耗(hao)大(da)量(liang)的(de)能(neng)量(liang)。圖(tu)5 B顯示了防止反向輸出電壓的方法之一。

最(zui)後(hou)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)是(shi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)的(de)連(lian)接(jie)都(dou)不(bu)正(zheng)確(que)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，如(ru)果(guo)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)實(shi)施(shi)了(le)第(di)二(er)和(he)第(di)三(san)種(zhong)保(bao)護(hu)
，輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)都(dou)將(jiang)受(shou)到(dao)保(bao)護(hu)。設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)不(bu)應(ying)忽(hu)略(lve)電(dian)壓(ya)抑(yi)製(zhi) 器qi
，它ta安an裝zhuang在zai瞬shun態tai電dian壓ya的de輸shu入ru端duan，其qi極ji性xing可ke能neng正zheng確que或huo不bu正zheng確que。因yin此ci，重zhong要yao的de是shi要yao有you雙shuang向xiang瞬shun態tai抑yi製zhi器qi，能neng夠gou承cheng受shou正zheng常chang反fan極ji性xing電dian壓ya而er不bu會hui損sun壞huai。

電池充電
鉛酸電池充電有三個階段：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脈衝電流限製 和(he)電(dian)流(liu)設(she)置(zhi)電(dian)路(lu)的(de)脈(mai)衝(chong)完(wan)成(cheng)的(de)。除(chu)非(fei)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)低(di)於(yu)這(zhe)個(ge)水(shui)平(ping)，電(dian)流(liu)都(dou)將(jiang)保(bao)持(chi)在(zai)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)或(huo)用(yong)戶(hu)設(she)定(ding)的(de)充(chong)電(dian)速(su)率(lv)，此(ci)時(shi)將(jiang)充(chong)電(dian)到(dao)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)調(tiao)整(zheng)率(lv)。[page]

OOV比較器
NCP1294配備了一個OOV比較器
，可以監測輸出電池電壓，以確定是否反饋機製已損壞，或遠程檢測受到超過電池溫度補償的電池電壓的影響。當斷 開OOV時係統關閉。比較器可用在係統輸入或係統輸出，但推薦用作輸出的故障安全機製。當使用單電池係統時，可以使用18V的觸發點(trip point)或基於充電狀態設置觸發點。如果使用浮動電壓狀態，需要設置15 V為觸發電壓。

OUV功能
NCP1294的欠壓鎖定功能(OUV)功能可監測轉換器的輸入電壓，以確定是否輸入電壓水平會導致熱問題。OUV可以獨立監測輸入電壓，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
由於太陽能控製器可能以不恰當的方式使用，建議對降壓主開關的溫度進行監測
，以確定它是否超過了最高溫度水平。如果主MOSFET的溫度已超過了適當的水平，過溫保護(OTP)可以抑製電流以減少係統功耗。

熱管理
NCP1294是一個低功耗器件。一旦確定了IC功耗，設計人員可以計算出所需的熱阻抗，以保持最差環境溫度下指定的結溫。太陽能控製器的熱性能受 PCB布局影響很大。在設計過程中應格外小心，以確保IC和電源開關在建議的環境條件下工作。任何電源設計都應進行適當的實驗室測試，以確保在最差工作條 件下設計所需的功耗。在測試過程中考慮的變量應包括最高環境溫度
、最小氣流

、最大輸入電壓
、最大負載和元件變化(即最差情況下MOSFET的 RDSON)。

太陽能電池板
NCP1294評估板支持的太陽能電池板在5 W和120 W之間。這裏考慮的是行業標準類型的太陽能電池板。最常見類型的太陽能電池是晶體矽，它有兩種主要類型：單晶矽和多晶矽。單晶矽能效最高，但生產也比較昂 貴(gui)
，通(tong)常(chang)僅(jin)限(xian)於(yu)商(shang)業(ye)和(he)住(zhu)宅(zhai)應(ying)用(yong)。非(fei)晶(jing)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)由(you)塗(tu)覆(fu)在(zai)不(bu)鏽(xiu)鋼(gang)或(huo)類(lei)似(si)材(cai)料(liao)上(shang)的(de)熔(rong)融(rong)矽(gui)薄(bo)膜(mo)構(gou)成(cheng)。晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)非(fei)常(chang)脆(cui)弱(ruo)，通(tong)常(chang)夾(jia)在(zai)兩(liang)片(pian)玻(bo)璃(li)之(zhi)間(jian)，以(yi)利(li)於(yu)保(bao)護(hu)。單(dan) 晶矽的效率為18％，多晶矽為15％，非晶態為10％。

圖6：太陽能控製器電路板

liyongzhegegongnengfengfuerlinghuodejiejuefangan
，gongchengshikeyigenjubutongtaiyangnengdianchibandeyaoqiukaifachushiyongdechanpin，rangzuizhongyonghuxiangyongdaoxianjinbandaotijishudailaidebianlihegenghaodeshiyongtiyan。