動態(tài)電源路徑管理簡化了太陽能板對電池的充電

動態(tài)電源路徑管理簡化了太陽能板對電池的充電

最初，TI 的線性充電穩(wěn)壓器bqTINY-III 系列只是設(shè)計用于通過一個 AC 適配器或 USB 端口為單體鋰離子電池充電，然而，這些 IC 也非常適用于由太陽能板供電的應(yīng)用。

太陽能電池通常是由 p-n 結(jié)組成的，p-n 結(jié)中入射光線能量（光子）通過導(dǎo)致電子和空穴的重新組合來產(chǎn)生電流。由于 p-n 結(jié)的特性類似于二極管的特性，因此我們通常以如圖 1 中所示的電路作為太陽能電池特性的一個簡化模型。

圖1 太陽能電池簡化電路模型

電流源 IPH 會產(chǎn)生一個和太陽能電池上的光量度成正比的電流。在沒有負載連接的情況下，幾乎所有產(chǎn)生的電流均流經(jīng)二極管 D1，其正向電壓決定了太陽能電池的開路電壓 (VOC)。該電壓會因不同類型太陽能電池的特性不同而有所差異，但是，對于大多數(shù)硅電池而言，這一電壓都在 0.5V～0.6V 之間（這也是 p-n 結(jié)二極管的標(biāo)準(zhǔn)正向電壓）。在實際太陽能電池應(yīng)用中，并聯(lián)電阻 RP 的漏電流很小。隨著負載電流的增加，IPH 產(chǎn)生的大部分電流從二極管中流出來并進入負載。對于大多數(shù)負載電流而言，這個過程對于輸出電壓僅有很小的影響。由于二極管的 I-V 特性會有輕微的變化，并且由于串聯(lián)電阻 RS 的原因（其具有連接損耗）電壓會稍有下降，但輸出電壓卻保持大體恒定。然而，有時流經(jīng) D1 的電流太小，從而導(dǎo)致二極管偏置不夠，并且二極管兩端的電壓會隨著負載電流的增加而急劇下降。最后，如果所有產(chǎn)生的電流均只流經(jīng)負載（而不流經(jīng)二極管），則輸出電壓就會變?yōu)榱?。這個電流被稱為太陽能電池的短路電流 (ISC)。ISC 和 VOC 都是定義太陽能電池工作性能的主要參數(shù)之一（請參見圖 2）。

圖2 典型的太陽能電池I-V 特性

在大多數(shù)應(yīng)用中，人們都期望太陽能電池能提供盡可能多的電能。由于輸出功率是輸出電壓和電流的乘積，因此就必須確定電池工作區(qū)域中的哪一部分所產(chǎn)生的 VI 值最大。這一點被稱為最大功率點 (MPP)。當(dāng)輸出電壓為其最大數(shù)值 (VOC) 時，輸出電流為零，這是一個極端情況；而當(dāng)輸出電流達到最大值 (ISC),但輸出電壓為零時，則是另一種極端情況。在這兩種情況下 VI 的乘積均為零，因此，這兩種極端情況肯定都不是 MMP 點。我們可以很容易證明（或通過實驗進行觀察），在任何應(yīng)用中，MPP 一般會出現(xiàn)在太陽能電池輸出特性（請參見圖 3）下半部分的某個位置。但問題是太陽能電池 MPP 的確切位置會因入射光線和環(huán)境溫度不同而變化。所以，設(shè)計旨在動態(tài)地調(diào)節(jié)太陽能電池的輸出電流，以達到太陽能電量生成系統(tǒng)的最大化，以便在實際應(yīng)用中其能夠在 MPP 點或者其臨近點工作。

圖4 bqTINY-III 線性充電器的 DPPM 工作原理

該特性可用于圖 5 所示的應(yīng)用。其中，一個太陽能板被用于為一個單體鋰離子電池再充電。該太陽能板由若干電池串組成，每個電池串包括 11 個串聯(lián)硅電池。它的作用類似于電流限制電壓源，其中電流限制是由太陽能板的大小以及照射在上面的光量來確定的。

圖 5 使用太陽能板對電池進行充電

從該太陽能板上獲得的最大輸出電壓 (VOC) 通常介于 5.5V～6V 之間。因為該電壓低于 bq24030 預(yù)定義的 6V 輸出調(diào)節(jié)電壓，Q1 被完全開啟 (turned hard-on)。RSET 定義了一個 1A 的最大充電電流。如果其超過了太陽能電池的輸出電流（取決于光線強弱），太陽能板的輸出電壓就會下降，從而降低了 bq24030 OUT 引腳的電壓。RDPPM 對 bq24030 進行了編程以自動將 ICHG 降至一個容許 VOUT 保持在最小 4.5V 的電平。之所以采用 VDPPM 這個值，是因為它非常符合太陽能板的最大功率點 (MPP)。假設(shè) Q1 兩端的電壓降為 300mV，那么每個電池的電壓就將會變?yōu)?436mV，這樣就會最大化太陽能板的功率輸出。如果 VOUT 高于 4.5V，則 DPPM 就會不起作用，太陽能板的工作狀態(tài)就會偏離 MPP。但是，只有所需的電能少于太陽能板所能提供的電能時，才會發(fā)生這樣的情況，此時效率的降低不會有太大的影響。如圖 3 所示，隨著輸出功率逼近 MPP，輸出功率曲線變得十分平穩(wěn)，然后突然急劇下降。因此，把 VDPPM 設(shè)置得稍高些比設(shè)置得稍低些要好。這樣就可以將不恰當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c對輸出功率的影響最小化。

如果太陽能板提供的電能不足以為系統(tǒng)供電，甚至當(dāng)電池充電電流已經(jīng)被降低至零的時候，Q2 就會被開啟，VOUT 將下降到恰好低于電池電壓 VBAT，而電池則能提供任何太陽能板所不能提供的電流。

bqTINY-III 還允許通過 USB 端口對電池進行充電。在這種情況下，Q3 就會被用來調(diào)節(jié)輸入電流，以確保 USB 規(guī)范可根據(jù) IC 的 ISET2 引腳狀態(tài)滿足 100mA 或 ?500mA 的要求。如果系統(tǒng)和充電電流的總和超過了所選 USB 的電流極限，則 VOUT 就會下降且 DPPM 功能會降低充電電流，或像從前那樣還原為電池補充模式。

bqTINY-III 系列器件的另一個非常有用的特性就是如果充電器正處于 DPPM 狀態(tài)，則其內(nèi)部安全定時器就會自動延長時間。因此在低光照或電流限制的條件下，當(dāng)電池充電速度較慢時，在出現(xiàn)錯誤條件之前對電池進行再充電所允許的時長得到了適當(dāng)?shù)难娱L，從而避免了過早的充電終止。