升降壓電池充電器內建MPPT　太陽能系統兼顧效率與成本

　　太陽能是綠色能源，而且是免費的，但是可能常常不太可靠。溫度變化會導致太陽能電池板的最佳功率提供點偏移，此外，設備老化、局部光照被遮擋、日落、被動物糞便污染等，都可能妨礙太陽能電池板的性能。基于這些可靠性和可變性問題，幾乎所有太陽能供電設備都采用可再充電電池，以提供備分電源；過去一度僅使用鉛酸電池，現在所用電池種類已經擴大到包括鋰電池了。

　　太陽能供電應用之所以配備再充電系統，是為了盡可能汲取更多的太陽能，以迅速為電池充電并保持電池的電荷狀態。此外，當太陽能電池板得到的光照很少或沒有光照時，電池漏電大小就至關重要，無論何時只要可能，就應該減到最少。

　　顯然，太陽能供電應用正處于成長階段。現在有各種不同尺寸的太陽能電池板可為各種各樣的創新應用供電，例如人行橫道標志燈、垃圾壓實機、海上浮標燈等；有些太陽能供電應用采用的電池是深度循環類電池，能承受很多個反復充電周期以及深度放電，這類電池常見于“離網”（即與電力公司電網斷開）可再生能源系統，例如太陽能或風能發電系統。就離網系統而言，系統運行時間非常重要，因為這類系統并不易靠近。

　　太陽能電池板基礎知識

　　就一定量的光能和工作條件而言，太陽能電池板在某一特定輸出電壓上產生峰值輸出功率。圖1所示為由七十二節電池組成的太陽能電池板，在電池板溫度為60°C 時的特性。虛線代表電池板的I-V曲線，X軸表示電池板電壓。實線表示當電池板電壓從0V變化到電池板開路電壓時電池板產生的輸出功率；電池電壓變化是用簡單的負載箱實現的。

　　圖1　在不存在局部光照被遮擋的情況下，給定太陽能電池板的簡單功率曲線。

　　就此處所述這一特定情況而言，最大功率點在32V，該電池板可提供140W功率。如果允許電池板溫度變化，在真實情況中這當然是允許的，那么最大功率點可能在大熱天的28V到寒冷冬天的44V之間變化。

　　很多較簡單的太陽能充電系統會將電池板電壓工作點設定為固定值；在上述特定電池板情況下，這類較簡單的系統會將電池板工作點設定到32V，以在給定溫度時汲取最大功率，而這個例子的溫度為60°C。不過，當電池板溫度變化時，會浪費大量功率，因為電池板不在真正的最大功率點上工作了。在這類情況下，可能會浪費20-30%以上的可用功率。

　　使情況變得更糟的是，按照已實行的安全標準，大多數電池板必須在太陽能電池數組中裝上旁路二極管；這么做的原因，是當部分電池板被遮住而得不到太陽光照射，而其他部分得到充足陽光照射時，太陽能電池板會有一些特殊情況發生。

　　這時，被遮住的太陽能電池是反向偏置的，但其中仍然有很大的電流流過，因為其他得到充足光照的電池正在提供電流，被遮住的電池溫度可能上升，這有可能造成火災。為了幫助降低火災風險，制造商在電池板各處都放置了旁路二極管。圖2顯示在上述七十二節電池的太陽能電池板上，旁路二極管是怎樣放置的。

　　圖2　出于安全考慮，七十二節電池的太陽能電池板上放置了三個旁路二極管。

　　由于電池板中存在旁路二極管，當部分電池板被遮擋時，就可能出現復雜的功率電壓特性。圖3顯示了這種情況，其中出現了兩個局部最大功率點，一個在21V電壓處，另一個在37V電壓處。如果采用前述簡單的32V功率點設定方法，那么可獲得79.4W功率，而不是在真正最大功率點21V上可獲得的90.1W；這表明在這種情況下損失了13.5%的功率。顯然可跟蹤真正最大功率點并在其上工作的系統會有卓越功率表現。

　　圖3　當太陽能電池板被部分遮擋時，會產生較復雜的功率曲線。

　　太陽能供電可再充電電池系統設計挑戰

　　太陽能電池板的典型效率約在5-15%之間。考慮到較大型（即更強大）的電池板成本更高，所以太陽能供電設計必須最大限度提高效率，以最大限度降低系統總體成本。

　　太陽能供電產品要有效收集太陽能，其設計必須能夠管理變化范圍很寬的輸入，同時還能夠使太陽能電池板在最大功率點或其附近工作。并且，該設計必須能夠為該產品選擇安全的化學組成電池充電。

　　在太陽能充電系統中，還會遇到其他設計問題嗎？就任意給定太陽能供電系統而言，固件開發和調試可能需要大量時間，如果太陽能電池板的最佳功率提供點可以低于、等于或高于電池電壓（這是非常常見的情況），那么會需要更加復雜的升降壓拓撲。

　　升降壓拓撲允許真正的雙向隔離（相較于降壓型拓撲，如果電池板沒得到光照，那么它可能透過NMOS的體二極管和電感器耗盡電池電量）。為保護電池，須要恰當的電壓終止。最后，既然電池板不是可靠的電源，那么就需要電池原地充電（充電器給電池饋電，且負載連接到電池），在這種情況下，電池既是電源，又做為緩沖器使用。

　　最大功率點追蹤提升太陽能系統發電量

　　太陽能電池板可能在某些非理想環境條件下工作，如電池板部分被遮擋（樹葉、鳥糞、陰影、雪等）、電池板的溫度變化、電池板老化等；最大功率點追蹤（MPPT）這種方法有助于在所有工作條件下，從太陽能電池板汲取最多能量。

　　在離網太陽能電池板系統中，電源系統故障代價高昂，客戶希望盡可能從電池板汲取最多能量。此外，他們希望最大限度延長兩次太陽能供電系統維護之間的正常運行時間。

　　真正的主動最大功率點追蹤會找出所有條件下的最佳工作點，這會降低系統總體成本，因為可以使用最小的電池板或最小的電池，從而減少過度設計系統的需求。真正的MPPT會發現最佳峰值功率點，并剔除假的局部最大功率點，這種局部最大功率點在部分被遮擋的電池板中很常見（電池板部分被遮擋時的供電模式由電池板內部旁路二極管的數量和安排決定）。

　　解決上述問題的IC充電解決方案，須要具備以下特性，即使不是全部、也必須囊括許多特性：

　　● 最短的軟件和固件開發時間

　　● 彈性的升降壓拓撲

　　● 主動MPPT算法

　　● 簡單、自主運行（無需微處理器）

　　● 因應各種不同電池化學組成的終止算法

　　● 原地充電--向負載供電的同時給電池充電

　　● 寬輸入電壓范圍以適合各種不同的電源

　　● 寬輸出電壓范圍以應對多個電池組

　　● 高輸出/充電電流

　　● 小型、扁平解決方案

　　● 先進的封裝以提高熱性能和空間占用效率

　　● 成本效益的解決方案

　　典型的復雜太陽能電池充電系統由一個直流對直流（DC-DC）開關電池充電器、一個微處理器和幾個IC，以及分立式組件組成，以實現最大功率點控制/追蹤功能；另一種可能的解決方案是太陽能模塊。不過這些解決方案費用高昂、復雜而不易設計（需要軟件、固件等），而且往往鎖定到假的太陽能電池板最大功率點上，因此無法以盡可能高的效率運行。有鑒于此，電源芯片商推出一種簡單、創新的高壓升降壓充電控制器IC，該IC專門針對太陽能應用，既不須要開發軟件也不須要開發固件，因此可大幅縮短產品上市時程。

　　圖4所示是一款因應鉛酸和鋰電池的同步升降壓電池充電控制器，其具備自動最大功率點追蹤和溫度補償功能。該組件的輸入電壓可以高于、低于或等于穩定的電池浮動電壓。

　　圖4　同步升降壓電池充電控制器的典型應用電路

　　上述全功能電池充電器提供很多可選定電流定電壓（CC-CV）充電曲線，非常適合為各種鋰或鉛酸化學組成的電池充電，包括密封鉛酸電池、凝膠電池和富液式鉛酸電池，并且該芯片內建所有充電終止算法，因此無需軟件或固件開發，可跳過此設計時間。

　　該電池充電控制器可操作于寬廣的6-80V輸入電壓范圍內，采用四開關同步整流和單個電感就可產生1.3-80V電池浮動電壓輸出。視外部FET選擇的不同而異，該組件能夠提供高達10A的充電電流，其MPPT電路能夠在太陽能電池板的整個工作范圍內工作，即使電池板部分被遮擋而導致存在局部最大功率點，它也能找出真正的最大功率點。

　　一旦發現真正的最大功率點，這款電池充電控制器就會在該點上工作，同時運用高頻抖動方法快速追蹤局部最大功率點的變化。透過這種方法，即使在非理想工作環境中，該方案也能夠充分利用太陽能電池板產生的功率。

　　MPPT 的全面搜索如圖5所示，圖5中較高的曲線顯示電池板輸出電壓；前述的升降壓太陽能電池充電控制器會控制電池板電壓達到開路電壓后，又再控制電池板線性斜坡下降至最低值。圖5中間的曲線則顯示隨電池板電壓變化的電池板電流；充電控制器測量該電流，然后在內部計算功率，一旦全面掃描完成，電池板電壓就返回到所測得的最大功率點。

　　圖5　同步升降壓電池充電控制器MPPT的全面搜索，較高曲線為電池板電壓；中間的曲線則為電池板電流；圖中底部的曲線則是該充電器的控制信號。

　　高頻抖動方法用來追蹤兩次全面搜索之間最大功率點產生的較小變化，如圖6所示。大約在示波器圖形的中間部位，為電池板加上了一次功率點變化，以模仿由于天空中云的移動而改變電池板光照量的情況。

　　圖6　同步升降壓電池充電控制器在兩次全面搜索之間進行局部高頻抖動。較高曲線為電池板電壓；圖中底部的曲線則為電池板電流；圖的中間曲線則是來自該控制器的控制信號。

　　這時，前述充電控制器先在高于、后在低于目前MPPT點的范圍，以小幅度連續移動電池板電壓，以檢查是否存在一個更好的工作點。如果發現有，就追蹤到新的點上，并重復上述過程；透過這種方式，控制器不必太頻繁地進行全面搜索就能夠追蹤變化。

　　前文介紹的新款升降壓太陽能電池充電控制器透過檢測電池上的外部熱敏電阻器，進行自動溫度補償。STATUS和FAULT接腳可用來驅動發光二極管 （LED）指示器燈。充電電流限制可透過改變一或兩個電阻來調節，用合適的電阻分壓器可選擇充電時間長度。該組件的其他特點包括輸入和充電電流限制接腳、一個3.3V穩定低壓差線性穩壓器（LDO）輸出、狀態接腳和可同步固定開關頻率。

　　新電池充電器突破MPPT設計瓶頸

　　太陽能既環保又隨時可用，但是可能不那么可靠。溫度變化導致MPPT點移動、老化、電池板部分被遮擋、日落、鳥糞等都可能降低電池板性能（圖7）。電源芯片商所開發出的新式升降壓開關穩壓器電池充電器，可實現適合大多數電池類型的定電流定電壓充電曲線，例如鉛酸電池（密封SLA、富液式、凝膠）和鋰電池。

　　圖7　太陽能雖環保又便利，但容易因外在環境因素影響電池板性能。

　　該組件還為太陽能供電應用提供自動和高效的真正最大功率點追蹤，由于無需軟件或固件開發，所以可大幅縮短系統上市時間。相較于大型和復雜的同類充電系統，這種具成本效益和更簡單的解決方案，大幅簡化了過去非常困難的設計任務。