一種太陽(yáng)能電池板電池充電器設計全過(guò)程

　　ADC 和微控制器讀數

　　我決定，每次檢查電路是否正常運行時(shí)不使用電壓表，因為電壓表在沙漠中難以攜帶。為了避免攜帶多個(gè)萬(wàn)用表，我用一個(gè)微控制器和 ADC 來(lái)讀取系統的電壓值，并在一般的 LCD 顯示屏上顯示信息。這種方法可就電路性能提供實(shí)時(shí)數據，而無(wú)需連接幾個(gè)萬(wàn)用表。

　　我使用 DC590B 演示板和 LTC2418 8信道 / 16 信道 24 位 ADC 演示板 DC571A.我的同事 Mark Thoren 給了我 PIC 微控制器的嵌入式源代碼樣本，我微調了這個(gè)源代碼樣本，以跨 LTC2418 上 ADC 的不同通道對電壓采樣，并以可接受的分辨率、準確地讀出 mV 范圍的電壓值。既然基準電壓的最大范圍是 2.5V,那么我用一種電壓分壓器方法來(lái)按比例將電壓降低到 mV 范圍，以在 ADC 上實(shí)現正確的測量。通道連接到單個(gè)有關(guān)的輸入和輸出電壓上，包括電流檢測電壓。這么做非常成功，無(wú)需多個(gè)萬(wàn)用表。圖 6 是一個(gè)有關(guān)這個(gè) LCD 顯示屏的全功能系統的例子。我在 LCD 上得到的最后的顯示提供了有關(guān)以下電壓的信息：變化的太陽(yáng)能電源電壓 Vs、充電電路電壓 Vc、電池電壓 Vb、以及電池上的輸入充電/放電電流 C 和 D.在本文情況下，是"C",它在充電。放電時(shí)，程序將改變到"D".

圖 6:LCD 讀數：Vs （太陽(yáng)能電池板電壓）；Vc （充電電路電壓）；Vb （電池電壓）；C = 充電電流 （4.3A），

用DC590B PIC 微控制器控制；用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 讀取電壓，該演示板由 LTM4601 演示板 DC1041A 微型模塊降壓型穩壓器供電。

　　注意，DC590B 演示板不是靠 12V 軌供電，而是靠 5V 軌供電。需要一個(gè)降壓型穩壓器將電壓從電池的 12V 降低到 5V.這個(gè)降壓型穩壓器將必須是高效率的，因為電源將來(lái)自太陽(yáng)能電池板和電池，我不想因運行 LCD 顯示屏和微控制器而耗費大量功率。我使用 LTM4601 微型模塊 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器演示板 DC1041A.

　　LTM4601 是一個(gè) LGA 封裝的 15mm x 15mm x 2.8mm 微型模塊 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩壓器，在 12A 最大負載電流時(shí)，輸入為 4.5V 至 20V,輸出為 0.6V 至 5V.LTM4601 的設計使得非常容易從 12V 電池提供一個(gè)穩定的 5V 輸出。該微型模塊包括所有控制支持組件，如電阻器、電容器、MOSFET 和電感器。在這個(gè)系統中，效率大約為 90%,使用最小的電池電流，極大地延長(cháng)了電池壽命。更容易的是，輸出電壓用一個(gè)電阻器設置，如果我需要一個(gè)不同的電壓軌 （例如 3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V），那么在演示板上用一條跨接線(xiàn)可以非常容易地改變這個(gè)輸出電壓。

　　總之，兩塊 BP 太陽(yáng)能電池板，每塊在 4A 電流時(shí)都有 0 至 20V 的輸出，這兩塊太陽(yáng)能電池板由 20V 輸出的 LTM4607 降壓/升壓型微型模塊開(kāi)關(guān)穩壓器調節，然后再到 14V 輸入的 LTC1435/LT1620 電池充電器，通過(guò)一個(gè)理想二極管 MOSFET 控制器 LTC4414、一個(gè)串聯(lián)的電流檢測放大器 LTC6103,最終進(jìn)入電池；以穩定的 4A 電流充電。在這個(gè)設計中，由 LTC2418 在不同的級獲取 ADC 讀數，并將讀數送至由 LTM4601 微型模塊開(kāi)關(guān)穩壓器供電的 DC590B 演示板微控制器，以在 LCD 上顯示結果。圖 7 顯示正在運行的整個(gè)系統。

圖 7:運行中的整個(gè)系統設計

　　噴霧系統的機械設計

　　有了一個(gè)正常工作的太陽(yáng)能充電器和穩定的 12V 輸出，我就準備好著(zhù)手組裝噴霧系統了。去一趟五金店就得到了我需要的材料：艙底污水泵、水龍帶連接器、水龍帶夾具、轉接器和噴霧系統。水龍帶長(cháng)約 15 英尺，擰在轉接器螺釘上，用水龍帶夾具固定到水泵上，噴霧系統固定在末端，有 5 個(gè)噴霧嘴。底艙污水泵靠最大值為 12V 的電壓運行，水壓可以通過(guò)降低電壓來(lái)控制。

　　為了實(shí)現靈活性，我安裝了一個(gè)穩壓器，該穩壓器可以接受 12V 輸入，并將輸入轉換成可變的 12V 輸出。這要求 LTM4607 設計有降壓/升壓特性。該器件使用一個(gè)反饋電阻器控制輸出電壓。一個(gè) 50k 的可變旋鈕電位器取代了電阻器，從而非常容易控制 0.8V 至 12V 的輸出。還串聯(lián)了一個(gè) 5.62k 的電阻器，以限制輸出電壓，保持輸出低于 15V.該設計通過(guò)旋轉一個(gè)旋鈕實(shí)現了水壓控制。

　　然后，我就可以測試我的全功能?chē)婌F系統了。結果，水泵導致最大約 6A 的電池放電電流，這意味著(zhù)，在峰值輸出時(shí)，水泵約從每塊太陽(yáng)能電池板獲得 4A 電流?？刂扑盟俣群蛪毫Φ暮锰幨?，我可以將壓力降到足夠低，以降低電池的放電電流，并全部靠太陽(yáng)能電池板運行水泵，以節省電池電量，這樣做非常有效。通過(guò)這種方法，我們能夠在營(yíng)地全天運行噴霧系統，而不必擔心電池放電，耽誤夜間用于 LED 照明系統。

　　LED 照明

　　隨著(zhù)電源的完成，我就可以增加電路，在晚上高效率地提供照明了。LED 足夠亮，可以照亮房間，這在以前是不可想象的，但是新的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)為 LED 照明的新時(shí)代創(chuàng )造了條件。尤其是，Philips Lumileds Luxeon LED 在 1000mA 時(shí)可以提供超過(guò) 100 流明的光。我配備了一個(gè) LumiLED 陣列，使用 LTC3475 （16 引線(xiàn) TSSOP 耐熱增強型封裝） 雙路 1.5A 恒定電流 LED 驅動(dòng)器 DC923A 演示板。它設計成用一個(gè)寬范圍輸入電壓 （4V 至 30V） 驅動(dòng)兩個(gè)信道，每個(gè)信道 1.5A.12V 電池直接連接到演示板的輸入，為每個(gè)通道 3 個(gè)串聯(lián)的 LED 燈供電，當兩個(gè)通道都接通時(shí)，總共有 6 個(gè) LED.這些 LED 出奇地亮，用一塊柔光布遮上時(shí)，足夠照亮我們整個(gè)營(yíng)地。晚上的放電電流全部來(lái)自電池，因為太陽(yáng)能電池板夜間提供零電力。以 2A 的總放電電流，可以整晚為這些燈供電。到接近中午或偏下午時(shí)，電池再次充滿(mǎn)電，為給噴霧系統供電做好了準備，在早午餐后，噴霧系統就可以讓我們感到?jīng)鏊恕?/FONT>

　　用于外部設備的點(diǎn)煙器適配器

　　我們的通信無(wú)線(xiàn)電收發(fā)報機在大量使用以后需要充電，因為蜂窩電話(huà)接收不到信號。我們使用的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)報機有一個(gè)汽車(chē)適配器插頭，可通過(guò)點(diǎn)煙器充電。為了快速充電，我增加了一個(gè)連接到電池的 12V 點(diǎn)煙器內孔適配器，專(zhuān)門(mén)用于該汽車(chē)適配器插頭。這證明很有用，因為電池充電一次僅持續幾個(gè)小時(shí)，所以我們需要經(jīng)常給我們的無(wú)線(xiàn)電收發(fā)報機充電。圖 8 顯示的是，通過(guò)連接到 12V 電池輸出的點(diǎn)煙器給無(wú)線(xiàn)電收發(fā)報機充電。

圖 8:通過(guò)汽車(chē)點(diǎn)煙器在 12Vdc 時(shí)對 Ham無(wú)線(xiàn)電收發(fā)報機充電

　　調試和隱患

　　在用樣機進(jìn)行的一次初步測試中，我發(fā)現了太陽(yáng)能電池板使用的一個(gè)根本限制。太陽(yáng)能電池板上變化的電壓也意味著(zhù)變化的電流。我在仿真一些現實(shí)世界的要素時(shí)，例如陰影遮住太陽(yáng)能電池板或陽(yáng)光不足，頓悟了這個(gè)問(wèn)題。在一種極端情況下，在電池板上方舞動(dòng)手臂都能引起系統閉鎖到限流值上，這令人擔憂(yōu)。當陽(yáng)光變化使輸出電壓下降時(shí)，樣機的電流模式架構使系統從太陽(yáng)能電池板吸取更多電流，這是非常合乎情理的，因為功率反映的是電流與電壓之間的關(guān)系，電壓下降時(shí)，電流會(huì )上升，以達到同樣的功率值。解決方案是，設計一個(gè)功率變化的系統，因為視陽(yáng)光在太陽(yáng)能電池板上照射量的不同而改變，輸入電壓和輸入電流會(huì )變化。

　　因為電池板可能只提供 4A 的最大峰值電流，所以輸入端的這種欠流使系統閉鎖，并保持閉鎖狀態(tài)直到系統復位為止。簡(jiǎn)單的解決方案是，當輸入電壓降至低于某個(gè)門(mén)限時(shí)，復位 LTM4607 微型模塊穩壓器上的 RUN 引腳。當電池板電壓下降時(shí)，用一個(gè)帶設定基準電壓的比較器去觸發(fā)可以做到這一點(diǎn)。不幸的是，這個(gè)解決方案不是最佳的，因為視電池板接受的太陽(yáng)光照射量的不同，會(huì )引起系統或者接通或者斷開(kāi)。一個(gè)更適合的解決方案是，就太陽(yáng)能電池板電壓而言，調節充