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qu線xian
，它ta表biao示shi該gai太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de輸shu出chu性xing能neng
，分fen別bie代dai表biao著zhe電dian流liu電dian壓ya數shu值zhi。兩liang條tiao線xian的de交jiao叉cha點dian表biao示shi的de電dian壓ya電dian流liu就jiu是shi這zhe塊kuai太tai陽yang能neng電dian池chi板ban的de功gong率lv。不bu利li的de是shi，IV曲線會隨輻照度
、溫(wen)度(du)和(he)使(shi)用(yong)年(nian)限(xian)而(er)變(bian)化(hua)。輻(fu)照(zhao)度(du)是(shi)給(gei)定(ding)表(biao)麵(mian)輻(fu)射(she)事(shi)件(jian)的(de)密(mi)度(du)，一(yi)般(ban)以(yi)每(mei)平(ping)方(fang)厘(li)米(mi)或(huo)每(mei)平(ping)方(fang)米(mi)的(de)瓦(wa)特(te)數(shu)表(biao)示(shi)。如(ru)果(guo)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)沒(mei)有(you)機(ji)械(xie)式(shi)陽(yang)光(guang)追(zhui)蹤(zong)能(neng)力(li)，一(yi)年(nian)中(zhong)輻(fu)照(zhao)度(du)會(hui)隨(sui)著(zhe)太(tai)陽(yang)的(de)移(yi)動(dong)變(bian)化(hua)約(yue)±23du。ciwai，meitiancongdipingxiandaodipingxiantaiyangyidongdefuzhaodubianhua，kedaozhishuchugonglvzaiyizhengtiandebianhua。weici，ansenmeibandaotikaifaleyikuantaiyangnengdianchikongzhiqiNCP1294
，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MPPTgongnengnenggoudingweizuidagonglvdian，bingshishigenjuhuanjingtiaojianlaitiaojie，shikongzhiqibaochijiejinzuidagonglvdian
，congercongtaiyangnengbanxiquzuidadedianliang
，tigongzuijiadenengxiao。

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。

shejigongzuobaokuogenjugonglvxuqiudezengjiagelituopujiegou。dianchichongdianzhuangtaideguanlishiyoushidangdechongdiansuanfawanchengde。taiyangnengdianchibananzhuangjishikeyixuanzeshuchudianyahedianchichongdiansulv。youyukongzhiqiyaolianjiedaotaiyangnengdianchiban

，tabixujuyouzuidagonglvdiangenzong，weizuizhongkehutigonggaojiazhi。kongzhiqiyoulianggezhengshineng(Enable)dianlu
，yigedianlujianceheiyeshijian，lingyigejiancedianchidechongdianzhuangtai，shiwaibudianlubuhuishidianchiduisunhuaidianfangdian。youyukongzhiqijiangyoubutongchengdujingyandexianchangjishurenyuanhexinshouanzhuang，yincizhongyaodeshishuruheshuchubixuyoufanxiangjixingbaohu。lingwai，kongzhiqihedianchikenenganzhuangzaiguorehuoguolengdeweizhi，kongzhiqibixucaiyongdianchichongdianwendubuchang。shejihaiyingbaokuoanquangongneng
，rudianchiguoyajiancehetaiyangnengdianchibanqianyajiance。

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

zaichuantongdianyamoshikongzhizhong，xiepoxinhaoyouyigegudingdeshangshenghexiajiangxielv。fankuixinhaojinlaizishuchudianya。yinci
，dianyamoshikongzhixianluwenyaxiaoguojiaocha
，qiejuyouyinpinyiganxing。qiankuidianyamoshikongzhiyuanyuxiepoxinhaoshuruxianlu。yinci，xiepodexielvsuishurudianyaerbianhua。qiankuigongnengyekeyitigongyigefumiaoqianwei，zhejiuxianzhileshurudianyahedaotongshijiandezuidachengjizhi。dianluzhongdeqianweidianlu，ruzhengjihefanjishizhuanhuanqikeyonglaifangzhibianyaqibaohe。

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。

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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。

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。NCP1294shiyigedianyamoshidianyaqiankuiqijian
，yincixuyaoyigecaiyongshurudianyaxiugaixiepodedianyahuanlu。gonglvjideshuchudianganhedianrongkexingchengyigeshuangjidian，huanlubixuweicijinxingbuchang。

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)。

在(zai)白(bai)天(tian)時(shi)間(jian)係(xi)統(tong)對(dui)電(dian)池(chi)充(chong)電(dian)
，而(er)在(zai)夜(ye)間(jian)電(dian)池(chi)放(fang)電(dian)照(zhao)亮(liang)定(ding)義(yi)的(de)空(kong)間(jian)。雖(sui)然(ran)輸(shu)入(ru)能(neng)量(liang)不(bu)能(neng)保(bao)證(zheng)，但(dan)輸(shu)出(chu)能(neng)量(liang)可(ke)在(zai)相(xiang)當(dang)長(chang)的(de)時(shi)間(jian)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)。如(ru)果(guo)一(yi)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)大(da)小(xiao)不(bu)合(he)適(shi)，電(dian)池(chi)可(ke)能(neng)因(yin)放(fang)電(dian)而(er)損(sun)壞(huai)。要(yao)防(fang)止(zhi)電(dian)池(chi)損(sun)壞(huai)，必(bi)須(xu)用(yong)LED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個ge大da型xing太tai陽yang能neng電dian池chi板ban和he一yi個ge小xiao電dian池chi。如ru果guo太tai陽yang能neng控kong製zhi器qi是shi在zai峰feng值zhi功gong率lv下xia充chong電dian，電dian池chi充chong電dian速su度du過guo快kuai，會hui縮suo短duan電dian池chi壽shou命ming或huo可ke能neng發fa生sheng爆bao炸zha。控kong製zhi器qi應ying該gai做zuo的de是shi管guan理li電dian池chi需xu求qiu，根gen據ju太tai陽yang能neng電dian池chi板ban提ti供gong的de峰feng值zhi功gong率lv來lai平ping衡heng充chong電dian速su度du。因yin此ci，最zui大da電dian池chi充chong電dian速su率lv的de設she定ding和he選xuan擇ze方fang案an是shi需xu要yao確que定ding如ru何he限xian製zhi係xi統tong的de輸shu出chu電dian流liu。電dian流liu的de設she定ding是shi通tong過guo 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de輸shu入ru端duan串chuan聯lian一yi個ge二er極ji管guan就jiu可ke以yi保bao護hu所suo有you器qi件jian。串chuan聯lian二er極ji管guan的de一yi個ge缺que點dian是shi，它ta會hui連lian續xu耗hao散san係xi統tong功gong率lv。如ru果guo反fan向xiang極ji性xing保bao護hu二er極ji管guan放fang在zai高gao電dian流liu係xi統tong中zhong
，損sun耗hao可ke能neng會hui很hen大da。實shi施shi反fan極ji性xing保bao護hu的de另ling一yi種zhong方fang法fa是shi放fang置zhi一yi個ge二er極ji管guan

，例li如ru，當dang施shi加jia反fan向xiang電dian壓ya時shi它ta會hui使shi保bao險xian絲si開kai路lu，如ru圖tu5 Dsuoshi。xuanzedebaoxiansikeyishiyigeyonghukegenghuanhuobolirerongduanqi。baoxiansikeyitigongbiyaodebaohu
，dankenengdaozhibutaihaodeyonghutiyan。shixianerjiguanfanxiangjixingbaohudedisunhaofangshishishiyongMOSFET，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tu5 B顯示了防止反向輸出電壓的方法之一。

zuihouyizhongqingkuangshishuruheshuchudelianjiedoubuzhengque。zaizhezhongqingkuangxia，ruguoshejirenyuanshishiledierhedisanzhongbaohu，shuruheshuchudoujiangshoudaobaohu。shejirenyuanbuyinghulvedianyayizhiqi
，taanzhuangzaishuntaidianyadeshuruduan，qijixingkenengzhengquehuobuzhengque。yinci，zhongyaodeshiyaoyoushuangxiangshuntaiyizhiqi

，nenggouchengshouzhengchangfanjixingdianyaerbuhuisunhuai。
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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mai衝chong電dian流liu限xian製zhi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。

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(he)電(dian)源(yuan)開(kai)關(guan)在(zai)建(jian)議(yi)的(de)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)下(xia)工(gong)作(zuo)。任(ren)何(he)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)都(dou)應(ying)進(jin)行(xing)適(shi)當(dang)的(de)實(shi)驗(yan)室(shi)測(ce)試(shi)，以(yi)確(que)保(bao)在(zai)最(zui)差(cha)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)設(she)計(ji)所(suo)需(xu)的(de)功(gong)耗(hao)。在(zai)測(ce)試(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong)考(kao)慮(lv)的(de)變(bian)量(liang)應(ying)包(bao)括(kuo)最(zui)高(gao)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)、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：danjingguiheduojinggui。danjingguinengxiaozuigao，danshengchanyebijiaoanggui
，tongchangjinxianyushangyehezhuzhaiyingyong。feijingtaiyangnengdianchibanyoutufuzaibuxiuganghuoleisicailiaoshangderongrongguibomogoucheng。jingtijiegoufeichangcuiruo，tongchangjiazailiangpianbolizhijian
，yiliyubaohu。danjingguidexiaolvwei18％，多晶矽為15％，非晶態為10％。

圖6：太陽能控製器電路板

liyongzhegegongnengfengfuerlinghuodejiejuefangan，gongchengshikeyigenjubutongtaiyangnengdianchibandeyaoqiukaifachushiyongdechanpin，rangzuizhongyonghuxiangyongdaoxianjinbandaotijishudailaidebianlihegenghaodeshiyongtiyan。