太陽(yáng)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。噴霧系統會(huì )讓我們感到?jīng)隹?。噴水可以使溫度降?10 度！”Doug 突然大聲說(shuō)道。這就是我們?yōu)闇蕚鋮⒓?2009 年 Burning Man 活動(dòng)而碰頭兒時(shí)開(kāi)始的一幕。我和 3 個(gè)朋友有了 2008 年令人驚喜的體驗，決定再次到那個(gè)嚴酷的沙漠環(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(kāi)始籌劃，以確保我們在黑巖城沙漠能舒服一些，這片沙漠在美國內華達州里諾市北 100 英里的地方。

我們渴望舒服一點(diǎn)的條件是，一個(gè)基于水霧系統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(zhù)一個(gè)帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實(shí)現。噴霧系統的成功要素是電源，這個(gè)電源也可以用來(lái)給 LED 燈供電，以供夜間照明，或者給其它需要電源的外部設備充電。我們的計劃是，用太陽(yáng)能電池板給一個(gè)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(kāi)始了太陽(yáng)能電池板電池充電器的設計。

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

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

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

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

樣機運行良好，因此我購買(mǎi)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計過(guò)的系統規格要求。我保持樣機作為備份和參考，同時(shí)我設計了一個(gè)新系統。我們解決了一些故障后，通過(guò)這些修改改善了原來(lái)的樣機?？傊?，架構設計仍然是相同的：用 0 至 20V 的太陽(yáng)能電池板，以 4A 的恒定電流給一個(gè) 12V 的電池充電。

太陽(yáng)能電池充電器系統設計

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

圖 3：系統設計方框圖

圖 4：最終的太陽(yáng)能充電器電路

視太陽(yáng)的位置不同而不同，太陽(yáng)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(gè)能接受這么寬輸出范圍的穩壓器，并保持吸取低的電流 （每個(gè)電池板上的輸入電流最大值都是 4A），同時(shí)調節一個(gè)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(kāi)關(guān)穩壓器 LTM4607 實(shí)現的。

LTM4607 是一個(gè)小型 LGA 封裝 （15mm x 15mm x 2.8mm） 的芯片，其中包括一個(gè)復雜的降壓-升壓型 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器所需的所有支持控制組件。復雜的開(kāi)關(guān)控制電路和 FET 內置到微型模塊穩壓器中，從而使該器件非常容易使用。結果是僅需一個(gè)微型模塊穩壓器、電感器以及幾個(gè)電容器和電阻器就完成簡(jiǎn)潔規則的布局。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(yáng)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 5A 的升壓模式和 10A 的降壓模式。在太陽(yáng)能電池板峰值功率時(shí)，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(gè)系統設計的目的而言，輸出調節到 20V，用這個(gè)輸出給 LTC1435/LT1620 高效率、低壓差電池充電器系統供電。

在 14V 穩定電壓時(shí)，LTC1435/LT1620 演示板 （DC133A） 將充電電流控制到穩定的 4A.該演示板與 LT1620 數據表第一頁(yè)上的應用電路類(lèi)似，我將 FB 電阻器 （110k） 換成一個(gè)可變電位器，以實(shí)現輸出電壓調節，并將電池浮置電壓設置到 14V.該演示板設計利用 LT1620 軌至軌電流檢測放大器，結合 LTC1435 開(kāi)關(guān)穩壓器電路的高效率和低壓差能力，形成了一個(gè)效率超過(guò) 95% 的電池充電器，從而在 4A 充電電流時(shí)僅需要 0.5V 輸入至輸出電壓差。一個(gè)到地的編程電流設置電池充電電流 （4A），該電池充電電流一直是穩定的，直到電池電壓達到預設的浮置電壓 （在本文情況下為 14V） 為止。隨著(zhù)電池達到其滿(mǎn)充電狀態(tài)，電路的編程將自動(dòng)轉入涓流充電狀態(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(guò)沖電給電池造成的壓力。

一個(gè)理想二極管電路設計與 DC133A 充電系統的輸出串聯(lián)，利用 LTC4414 實(shí)現電路保護，并允許在充電電路以最小損耗運行的同時(shí)使用電池。這種自動(dòng)電源通路 （PowerPath？） 控制使外部設備能夠自由地用太陽(yáng)能電池板或電池供電。當太陽(yáng)能電池板功率不足時(shí)，電路自動(dòng)轉為從電池吸取功率。該電路設計與 LTC4414 數據表第九頁(yè)上的圖 2 類(lèi)似。LTC4414 （8 引線(xiàn) MSOP 封裝） 控制一個(gè)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(gè)電源高效率進(jìn)行“或” 操作；在本文情況下，電源是太陽(yáng)能電池板和電池。當連接一個(gè)外部設備時(shí)，電池和充電系統接受負載狀態(tài)。在無(wú)負載時(shí)，將對電池充電。因此該設計允許一起使用太陽(yáng)能電池板和電池供電，同時(shí)運行電池充電過(guò)程。這一部分沒(méi)有演示板可用，因此我按照定制電路板上的應用電路進(jìn)行設計。