詳解太陽(yáng)能充電控制器及其設計要點(diǎn)

　　眾所周知，太陽(yáng)能電池板有一個(gè)IV曲線(xiàn)，它表示該太陽(yáng)能電池板的輸出性能，分別代表著(zhù)電流電壓數值。兩條線(xiàn)的交叉點(diǎn)表示的電壓電流就是這塊太陽(yáng)能電池板的功率。不利的是，IV曲線(xiàn)會(huì )隨輻照度、溫度和使用年限而變化。輻照度是給定表面輻射事件的密度，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特數表示。如果太陽(yáng)能電池板沒(méi)有機械式陽(yáng)光追蹤能力，一年中輻照度會(huì )隨著(zhù)太陽(yáng)的移動(dòng)變化約±23度。此外，每天從地平線(xiàn)到地平線(xiàn)太陽(yáng)移動(dòng)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(kāi)發(fā)了一款太陽(yáng)能電池控制器NCP1294，用來(lái)實(shí)現太陽(yáng)能電池板的最大峰值功率點(diǎn)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(shí)需要注意的問(wèn)題。

　　增強型電壓模式PWM控制器

　　NCP1294是一款固定頻率電壓模式PWM前饋控制器，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制器，NCP1294針對高頻初級端控制操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高達140 W的太陽(yáng)能板。這款器件提供的MPPT功能能夠定位最大功率點(diǎn)，并實(shí)時(shí)根據環(huán)境條件來(lái)調節，使控制器保持接近最大功率點(diǎn)，從而從太陽(yáng)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(dòng)、精確控制占空比限制、低于50 μA的啟動(dòng)電流、過(guò)壓和欠壓保護等功能。在太陽(yáng)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?；贜CP1294的參考設計最大功率點(diǎn)追蹤誤差小于5%，可以為串聯(lián)或并聯(lián)的四個(gè)電池充電。圖1是NCP1294 120 W太陽(yáng)能控制器框圖。

　　圖1：安森美半導體的NCP1294 120 W太陽(yáng)能控制器框圖

　　如圖1所示，該系統的核心是功率段，它必須承受12 V至60 V的輸入電壓，并產(chǎn)生12 V至36 V的輸出。由于輸入電壓范圍覆蓋了所需的輸出電壓，必須有一個(gè)降壓-升壓拓撲結構來(lái)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(kāi)關(guān)正激、雙開(kāi)關(guān)正激、半橋、全橋或其他拓撲結構。

　　設計工作包括根據功率需求的增加隔離拓撲結構。電池充電狀態(tài)的管理是由適當的充電算法完成的。太陽(yáng)能電池板安裝技師可以選擇輸出電壓和電池充電速率。由于控制器要連接到太陽(yáng)能電池板，它必須具有最大功率點(diǎn)跟蹤，為最終客戶(hù)提供高價(jià)值?？刂破饔袃蓚€(gè)正使能（Enable）電路，一個(gè)電路檢測黑夜時(shí)間，另一個(gè)檢測電池的充電狀態(tài)，使外部電路不會(huì )使電池對損壞點(diǎn)放電。由于控制器將由不同程度經(jīng)驗的現場(chǎng)技術(shù)人員和新手安裝，因此重要的是輸入和輸出必須有反向極性保護。另外，控制器和電池可能安裝在過(guò)熱或過(guò)冷的位置，控制器必須采用電池充電溫度補償。設計還應包括安全功能，如電池過(guò)壓檢測和太陽(yáng)能電池板欠壓檢測。

　　動(dòng)態(tài)MPPT工作原理

　　為了從功率可變的電源（即太陽(yáng)能電池板）析取出最大的功率，太陽(yáng)能控制器必須采用MPPT。MPPT必須首先找到最大功率點(diǎn)并及時(shí)調整環(huán)境條件，以保持控制器接近最大功率點(diǎn)。動(dòng)態(tài)MPPT用在系統發(fā)生改變的情況下。由于每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都在發(fā)生變化，太陽(yáng)能電池板汲取的功率也會(huì )在每個(gè)周期有明顯的改變。動(dòng)態(tài)MPPT利用太陽(yáng)能電池板的電壓驟降乘以每個(gè)開(kāi)關(guān)周期增加的電流，以確定將要產(chǎn)生的誤差信號來(lái)調節占空比。動(dòng)態(tài)響應可檢測IV曲線(xiàn)的斜率，從而建立一個(gè)功率斜坡，從誤差信號相交點(diǎn)建立一個(gè)代表占空比的功率。當斜坡變化斜率從正到負時(shí)該周期結束，如圖2所示。

　　圖2：PWM穩壓轉換器的電壓和電流

　　前饋電壓模式控制

　　在傳統電壓模式控制中，斜坡信號有一個(gè)固定的上升和下降斜率。反饋信號僅來(lái)自輸出電壓。因此，電壓模式控制線(xiàn)路穩壓效果較差，且具有音頻易感性。前饋電壓模式控制源于斜坡信號輸入線(xiàn)路。因此，斜坡的斜率隨輸入電壓而變化。前饋功能也可以提供一個(gè)伏秒鉗位，這就限制了輸入電壓和導通時(shí)間的最大乘積值。電路中的鉗位電路，如正激和反激式轉換器可用來(lái)防止變壓器飽和。

　　NCP1294太陽(yáng)能充電控制器應用設計流程

　　當選擇太陽(yáng)能控制器拓撲結構時(shí)，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(kāi)關(guān)非同步降壓-升壓拓撲結構。轉換器利用來(lái)自NCP1294的控制信號運行，Q1和Q2同時(shí)導通為L(cháng)1充電。四開(kāi)關(guān)降壓-升壓拓撲結構如圖3所示，其中的電感器用來(lái)控制電壓和電流。

　　圖3：四開(kāi)關(guān)降壓-升壓拓撲結構

　　四開(kāi)關(guān)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(chǎn)生輸入電壓脈沖，它經(jīng)過(guò)LC濾波來(lái)產(chǎn)生一個(gè)較低的直流輸出電壓。輸出電壓可以通過(guò)修改相對于開(kāi)關(guān)周期或開(kāi)關(guān)頻率的導通時(shí)間來(lái)改變。

　　如果輸出電壓可能達到1％至89％，太陽(yáng)能控制器即運行在降壓模式。如果由于占空比的限制而無(wú)法達到該輸出電壓，它會(huì )切換到降壓-升壓模式，此時(shí)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(gè)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(shí)，誤差信號將需要一段時(shí)間來(lái)改變占空比。模式的瞬時(shí)變化將使降壓-升壓轉換器試圖在89％占空比進(jìn)行切換，并試圖轉換至47%；這會(huì )導致轉換器試圖在失衡區（trade over region）輸出130 V的結果。NCP1294通過(guò)脈沖電流限制器提供了一個(gè)脈沖，可以阻止轉換器能量達到危險的程度，在占空比條件下實(shí)現緩和過(guò)渡。

　　補償網(wǎng)絡(luò )

　　要創(chuàng )建一個(gè)穩定的電源，誤差放大器周?chē)难a償網(wǎng)絡(luò )必須配合PWM發(fā)生器和功率級使用。由于功率級設計的標準是根據應用設置的，補償網(wǎng)絡(luò )必須有正確的整體輸出，以確保穩定性。NCP1294是一個(gè)電壓模式電壓前饋器件，因此需要一個(gè)采用輸入電壓修改斜坡的電壓環(huán)路。功率級的輸出電感和電容可形成一個(gè)雙極點(diǎn)，環(huán)路必須為此進(jìn)行補償。

　　系統開(kāi)啟和電池電流消耗

　　正在創(chuàng )建的系統連接了兩個(gè)有限源，將在一天的不同時(shí)間為負載供電，如果是在同一時(shí)間將不會(huì )供電，除了短暫時(shí)間。該系統并不完整，沒(méi)有安裝電池和太陽(yáng)能電池板，因此，有利于電池負載和太陽(yáng)能電池板源存在與否的檢測。例如，如果沒(méi)有連接電池，在提供電池電壓時(shí)，它不會(huì )消耗太陽(yáng)能電池板的能量。如果連接了太陽(yáng)能電池板，為了尋找要連接的太陽(yáng)能電池板，電池將被耗盡。檢查太陽(yáng)能電池板連接和電池連接的一個(gè)簡(jiǎn)單解決方案是使用低電流消耗比較器。

　　在白天時(shí)間系統對電池充電，而在夜間電池放電照亮定義的空間。雖然輸入能量不能保證，但輸出能量可在相當長(cháng)的時(shí)間保持不變。如果一個(gè)系統的大小不合適，電池可能因放電而損壞。要防止電池損壞，必須用LED電路抑制操作，防止電池耗盡。

　　輸入和輸出電流的平衡

　　當構建一個(gè)理想的太陽(yáng)能控制器時(shí)，控制器應保護電池或負載，同時(shí)從太陽(yáng)能電池板提取最大的能量。不幸的是，在現實(shí)世界中顧客或安裝人員可能會(huì )購買(mǎi)一個(gè)大型太陽(yáng)能電池板和一個(gè)小電池。如果太陽(yáng)能控制器是在峰值功率下充電，電池充電速度過(guò)快，會(huì )縮短電池壽命或可能發(fā)生爆炸?？刂破鲬撟龅氖枪芾黼姵匦枨?，根據太陽(yáng)能電池板提供的峰值功率來(lái)平衡充電速度。因此，最大電池充電速率的