用太陽(yáng)能電池為鎳鎘或鎳氫電池充電。該電路從太陽(yáng)能電池陣列中提取最大功率，為電池組充電。它采用MAX856升壓轉(zhuǎn)換器和MAX982雙通道比較器作為基準(zhǔn)。

作為一種電源，太陽(yáng)比典型的電池具有一些令人印象深刻的優(yōu)勢(shì)：它產(chǎn)生幾乎無(wú)限的能量，不需要充電，預(yù)計(jì)還能再持續(xù)五十億年左右。今天更高效，更便宜的太陽(yáng)能電池提供了一種實(shí)用的方法，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)運(yùn)行我們的小工具和gismos（見(jiàn)附錄，從光子到電子）。在這張陽(yáng)光明媚的圖片中，唯一的云是......好吧，云。由于它們經(jīng)常遮擋太陽(yáng)，因此很難設(shè)計(jì)出能夠可靠地提供電力的系統(tǒng)。

典型單晶硅太陽(yáng)能電池的輸出電流直接取決于入射陽(yáng)光的量（圖 1）。例如，典型的愛(ài)好級(jí)信用卡大小的硅電池具有0.55V的開(kāi)路電壓。當(dāng)您從電池中汲取電流時(shí)，內(nèi)阻會(huì)導(dǎo)致電壓降;但是，當(dāng)光能降至支持輸出負(fù)載所需的水平以下時(shí)，電池電流限制在幾乎恒定的電壓。對(duì)于一個(gè)全太陽(yáng)的光照水平（太陽(yáng)輻照度為1kW / m2），電池提供0.3A的典型短路電流。

圖1.太陽(yáng)能電池的可用電流輸出與入射光能量成正比，但電池的開(kāi)路電壓幾乎是恒定的。

最大輸出功率出現(xiàn)在從恒壓到恒流的轉(zhuǎn)換時(shí)，通常為0.484V，在一個(gè)完整的太陽(yáng)下為0.25至0.275A。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這個(gè)0.484V太低了，因此太陽(yáng)能電池板通常以串聯(lián)/并聯(lián)組合的方式連接電池，在大約12V時(shí)提供幾安培的電流。這樣的輸出對(duì)于許多應(yīng)用都很有用，假設(shè)只要應(yīng)用處于活動(dòng)狀態(tài)，就可以獲得充足的陽(yáng)光。不幸的是，在大多數(shù)地方很難實(shí)現(xiàn)這一要求。變化的陽(yáng)光對(duì)開(kāi)路電壓的影響較小，但對(duì)最大可用電流有直接影響（圖 1）。該特性對(duì)于設(shè)計(jì)可在任何給定時(shí)間優(yōu)化可用功率使用的電子設(shè)備至關(guān)重要。

大多數(shù)應(yīng)用包括中間儲(chǔ)能設(shè)備，例如可充電鉛酸或鎳鎘（NiCd）電池，以確保始終可用的電源。當(dāng)光線充足時(shí)，太陽(yáng)能電池為電池充電，然后為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。直接從太陽(yáng)能電池板（通過(guò)串聯(lián)二極管）為電池充電是困難的，或者至少效率低下，因?yàn)殡姵仉妷弘S著電池充電而變化很大。

從太陽(yáng)能電池板獲取所有可用能量除了電池外，還需要開(kāi)關(guān)模式升壓或降壓轉(zhuǎn)換器和電池充電器。轉(zhuǎn)換器必須確保從太陽(yáng)能電池板獲取的每一點(diǎn)能量都有效地存儲(chǔ)在電池中以備將來(lái)使用。開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器工作在兩個(gè)周期內(nèi)。它首先將電感器連接到電源，從而允許電感電流的積累，從而將能量存儲(chǔ)在電感器中。在第二個(gè)周期中，電流路徑的變化使電感器能夠?qū)⑵淅鄯e的能量傳遞到負(fù)載。負(fù)載電壓可以高于或低于電感器電源的負(fù)載電壓。

將電感器直接連接到太陽(yáng)能電池板效率低下。根據(jù)光照水平，面板的輸出電流能力范圍從微安到幾安培不等。更好的方法是將儲(chǔ)能電容器連接到太陽(yáng)能電池板。通過(guò)監(jiān)視該電容器上的電壓，只有在面板輸出最佳時(shí)，即0.484V乘以面板中串聯(lián)電池（列）的數(shù)量，才能打開(kāi)開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。該輸入足以啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器，電容為電感電流提供低阻抗路徑。此外，該電容器支持轉(zhuǎn)換器工作的完整周期，而不允許轉(zhuǎn)換器的輸入電壓降至其工作電壓以下。當(dāng)電容器電壓降至預(yù)定水平（轉(zhuǎn)換器的最低工作電壓或更高）以下時(shí)，轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，直到電容器再次充電至最佳電壓。

在圖2中，具有遲滯的比較器控制轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷引腳。只要儲(chǔ)能電容器的電壓低于太陽(yáng)能電池板的最佳負(fù)載電壓（0.484V乘以串聯(lián)電池?cái)?shù)），轉(zhuǎn)換器就處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電容電壓達(dá)到此最佳負(fù)載電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器使能，直到電容電壓下降到比較器遲滯帶的下限。

圖2.用于太陽(yáng)能電池板功率轉(zhuǎn)換的DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入包括面板、儲(chǔ)能電容器和比較器/基準(zhǔn)電路，該電路僅在足夠功率可用時(shí)使能轉(zhuǎn)換器。

只要電容器上有足夠的電荷，轉(zhuǎn)換器就會(huì)在突發(fā)工作，只有當(dāng)儲(chǔ)能電容器電壓值對(duì)所有水平的陽(yáng)光都最佳時(shí)，轉(zhuǎn)換器才會(huì)為電池充電。實(shí)際上，太陽(yáng)能電池板的負(fù)載（開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器）會(huì)自動(dòng)調(diào)整到太陽(yáng)能電池板的最佳工作區(qū)域（其V/I限制）。太陽(yáng)能電池板空載電壓與電池電壓的比率決定了轉(zhuǎn)換器動(dòng)作是必須升壓還是降壓。

如果太陽(yáng)能電池板空載電壓（由串聯(lián)電池的數(shù)量決定）低于放電電池的電壓，請(qǐng)選擇升壓轉(zhuǎn)換器。如果負(fù)載下的面板電壓高于充滿電的電池電壓，請(qǐng)選擇降壓轉(zhuǎn)換器。否則，重新排列電池或太陽(yáng)能電池的數(shù)量，以找到滿足這些條件之一的電池和太陽(yáng)能電池板的組合。

降壓型轉(zhuǎn)換器在關(guān)斷期間沒(méi)有從輸入到輸出的直接路徑，但升壓配置始終具有直流路徑（通過(guò)電感和輸出二極管），包括關(guān)斷。請(qǐng)注意，升壓轉(zhuǎn)換器在輸出短路時(shí)沒(méi)有電流限制。太陽(yáng)能電池板是限流的，因此在這種情況下主要擔(dān)心的可能是電池短路，這可能需要其他電路保護(hù)手段。

電池接口

檢查轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)會(huì)引發(fā)一些其他問(wèn)題。所需的輸出電壓不是恒定的，而是取決于電池的充電條件。充電時(shí)，除非電池已經(jīng)充滿電，否則您始終希望應(yīng)用快速充電。在快速充電期間，轉(zhuǎn)換器作為電流源工作，將電感能量轉(zhuǎn)發(fā)到電池，而無(wú)需檢查輸出電壓。因此，電池的快速充電電流要求應(yīng)決定電感和FET的檢流電阻的值。

終止快速充電很困難，至少有兩個(gè)原因。達(dá)到一定的電池電壓后，上述突發(fā)轉(zhuǎn)換方案并未暗示下一個(gè)轉(zhuǎn)換周期何時(shí)發(fā)生。如果它發(fā)生在幾毫秒內(nèi)，您可能應(yīng)該停止快速充電。如果它發(fā)生在數(shù)小時(shí)或數(shù)天內(nèi)（當(dāng)陽(yáng)光稀少時(shí)），則應(yīng)繼續(xù)快速充電，因?yàn)榉駝t電池可能會(huì)在下一個(gè)周期之前很久就耗盡。另一個(gè)困難源于不頻繁的突發(fā)電流：在這種情況下，您無(wú)法檢測(cè)到零或負(fù)dV / dt。

一種適用于鉛酸和鎳鎘電池的方法是使用另一個(gè)比較器監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)電壓達(dá)到上限時(shí)禁用開(kāi)關(guān)，當(dāng)電壓下降到預(yù)定水平以下時(shí)啟用開(kāi)關(guān)。第三級(jí)檢測(cè)還可以使電池的浮電流（涓流）充電（圖3）。為放電的電池充電時(shí)，電路施加全快充電電流，直到電壓達(dá)到其上限。然后，電路禁用開(kāi)關(guān)，直到電壓達(dá)到下一個(gè)最低（中間）限值，從而啟用涓流充電。涓流充電一直持續(xù)到電壓達(dá)到其上限（關(guān)閉開(kāi)關(guān)）或下限（再次啟用快速充電）。

圖3.DC/DC 轉(zhuǎn)換器使太陽(yáng)能電池板能夠?yàn)榭沙潆婋姵爻潆?（a）。比較器生成的信號(hào)使電路能夠控制充電電流（b）。

具有遲滯的雙通道比較器控制轉(zhuǎn)換器關(guān)斷以及快速充電與涓流充電的選擇。為了防止電池在太陽(yáng)能電池板電壓變?yōu)榱銜r(shí)放電，應(yīng)將比較器電路設(shè)計(jì)為不通過(guò)其電源端子或外部電阻分壓器加載電池。當(dāng)太陽(yáng)能電池板電壓較低時(shí)，您可以從輸出比較器或輸入比較器控制轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，并且此功能可能需要額外的邏輯。

圖4中的電路從七芯太陽(yáng)能電池板為三節(jié)電池充電，說(shuō)明了上述想法。放電時(shí)的電池電壓大于3.0V，最佳太陽(yáng)能電池板輸出為2.9V（最大3.8V），因此電路需要轉(zhuǎn)換器（IC1).雙通道比較器控制關(guān)斷和充電終止。集成電路2一直接控制關(guān)斷，保持轉(zhuǎn)換器處于關(guān)斷狀態(tài)，直到太陽(yáng)能電池板充電 C1至 2.9V。然后轉(zhuǎn)換器變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)，遲滯允許繼續(xù)工作，直到電壓降至2.5V以下。開(kāi)啟時(shí)，轉(zhuǎn)換器提供其全部輸出電流，僅受內(nèi)部電流限制。

圖4.該電路使七節(jié)太陽(yáng)能電池板能夠?yàn)槿?jié)鎳鎘電池充電。

當(dāng)電池電壓達(dá)到5.0V時(shí)，首先開(kāi)始調(diào)節(jié)，但輸出比較器（IC2乙） 終止 4.6V 的充電周期。該設(shè)計(jì)不是通過(guò)控制關(guān)斷引腳來(lái)處理端接，這需要額外的邏輯，而是通過(guò)驅(qū)動(dòng)3/5V選擇引腳高電平的非傳統(tǒng)方法。由于輸出為4.6V，因此選擇3V輸出（實(shí)際為3.3V）會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器關(guān)斷。同樣，比較器遲滯可確保轉(zhuǎn)換器保持關(guān)斷狀態(tài)，直到電池電壓降至4V。然后它恢復(fù)運(yùn)行，提供一種簡(jiǎn)單的空閑充電形式，不會(huì)對(duì)電池過(guò)度充電。

由于轉(zhuǎn)換器在太陽(yáng)能電池板輸出較低時(shí)關(guān)斷，因此電池放電電流（轉(zhuǎn)換器關(guān)斷電流、比較器電源電流、R7/R8電流和來(lái)自肖特基二極管的反向電流）最小。肖特基反向電流在 5°C 時(shí)典型值為 25μA，在 50°C 時(shí)為 50μA 或更高，這對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)太高了。對(duì)于這些，您可以替換開(kāi)關(guān)二極管，例如1N4148，但代價(jià)是轉(zhuǎn)換器效率略低。應(yīng)避免輸出低于輸入，就像所有升壓轉(zhuǎn)換器一樣。在這種情況下，過(guò)載或短路的電池單元會(huì)導(dǎo)致不受控制的直流電流從太陽(yáng)能電池板流經(jīng)電感器和二極管到輸出端。然而，在大多數(shù)情況下，太陽(yáng)能電池板中的電流限制允許電池簡(jiǎn)單地充電到3V，而不會(huì)損壞電感器。

太陽(yáng)能電池板電壓低于低電池電壓的應(yīng)用需要升壓轉(zhuǎn)換器，而需要更多電流（或固定內(nèi)部設(shè)置確定的峰值電流以外的峰值電流）的應(yīng)用需要升壓控制器。太陽(yáng)能電池板電壓高于充滿電的電池電壓的應(yīng)用需要降壓轉(zhuǎn)換器。例如，將MAX797控制器配置為電流源，內(nèi)部5V線性穩(wěn)壓器可以為外部比較器供電。該設(shè)備非常適合從兩個(gè) 12V 太陽(yáng)能電池板為汽車(chē)電池充電。

這些電路和技術(shù)應(yīng)確保太陽(yáng)能電池板在不可預(yù)測(cè)的天氣條件下高效充電。目標(biāo)應(yīng)用主要是中低功率，從幾瓦到100瓦。充電器電路的進(jìn)一步改進(jìn)雖然大多數(shù)鎳鎘和鉛酸電池不需要，但可以檢測(cè)電池電流并使用該信息提供具有電壓限制的恒定電流源輸出。

從光子到電子

科學(xué)家在晶體管的早期制造過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，這是半導(dǎo)體pn結(jié)的另一個(gè)影響。當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)的光子撞擊硅時(shí)，它們的能量推動(dòng)硅中的自由電子。通過(guò)將導(dǎo)線連接到硅芯片的頂部和底部，您可以形成一個(gè)電路，允許電子從電池頂部移動(dòng)到底部（圖 A）。

圖A.太陽(yáng)能電池上的光能產(chǎn)生在外部電路中流動(dòng)的電荷載流子。

用能量大于硅帶隙的光子照射硅pn結(jié)會(huì)產(chǎn)生空穴-電子對(duì)。對(duì)于反向偏置結(jié)，在耗盡區(qū)的擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生的對(duì)彼此分離，并有助于外部電路中的光電流。對(duì)于無(wú)偏置結(jié)，結(jié)內(nèi)部場(chǎng)中的電荷分離會(huì)在結(jié)上產(chǎn)生正向偏置。這種裝置稱為光伏電池。從太陽(yáng)光中獲取電能的光伏電池稱為太陽(yáng)能電池。

太陽(yáng)能電池效率（光子到電子的轉(zhuǎn)換）取決于從表面反射的光的比例，到達(dá)結(jié)之前吸收的部分，以及產(chǎn)生由結(jié)分開(kāi)的有用空穴 - 電子對(duì)的部分。硅通常用于商用太陽(yáng)能電池，典型效率為3%至15%。

太陽(yáng)能電池按其材料分類(lèi)：晶體或非晶形式的硅，或化合物半導(dǎo)體，后者又根據(jù)元素周期表中的元素組（II至VI組，III至V組等）進(jìn)行分類(lèi)（圖B）。

圖B.制造商用各種形式的硅和化合物半導(dǎo)體材料制造太陽(yáng)能電池。

單晶硅太陽(yáng)能電池的理論效率約為30%，在實(shí)驗(yàn)室條件下已達(dá)到20%以上的效率。與結(jié)晶或多晶形式不同，非晶硅具有非晶體結(jié)構(gòu)，其中原子沒(méi)有規(guī)則的排列模式。非晶硅太陽(yáng)能電池的效率不高，但它們需要更少的硅和更少的制造能量，制造商可以生產(chǎn)具有更大表面積的產(chǎn)品。這些屬性可能會(huì)導(dǎo)致未來(lái)廉價(jià)的非晶態(tài)太陽(yáng)能電池。低成本和高效率的另一個(gè)候選者是薄膜多晶硅太陽(yáng)能電池，它通過(guò)加熱非晶硅使其重結(jié)晶而形成。

科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種薄膜和燒結(jié)技術(shù)來(lái)支持對(duì)復(fù)合材料的研究，如CdTe和CuInSe2，作為批量生產(chǎn)太陽(yáng)能電池的候選材料。這些材料的轉(zhuǎn)換效率范圍為13%至25%。

為了使太陽(yáng)能電池成為其他發(fā)電方法的經(jīng)濟(jì)替代品，制造商已經(jīng)指導(dǎo)了大量的研究和改進(jìn)生產(chǎn)方法，以提高太陽(yáng)能電池的效率。最近的改進(jìn)是有希望的，但到目前為止，工程師將太陽(yáng)能主要用于要求適度的單一應(yīng)用：遠(yuǎn)程通信設(shè)備，航海信標(biāo)和照明，應(yīng)急電源，以及少數(shù)情況下的本地電力供應(yīng)。

審核編輯：郭婷