通過MPPT算法簡化高效能量收集系統(tǒng)設計

太陽能收獲已經(jīng)在高度復雜的設備中得到支持，這些設備集成了最大化太陽能轉換為電能所需的全套功能。通過利用ADI，德州儀器和意法半導體等能量收集IC制造商的低成本評估套件，工程師可以快速深入了解這些器件 - 以及一般的能量收集原理。

雖然光伏電池太陽能采集的概念很簡單，但有效的能量采集系統(tǒng)的實施依賴于對無數(shù)細節(jié)的充分認識。在這些細節(jié)中，太陽能PV板的正確加載是必要的，因為PV板的最大輸出發(fā)生在PV板的功率曲線上的精確點處。該最大功率點（MPP）可以在一系列曲線上移動，這些曲線與各種因素相關，包括照亮面板的光強度，環(huán)境溫度，面板中PV電池的壽命和健康狀況以及面板電壓由面板上的負載決定（圖1）。因此，最有效的能量收集設計采用最大功率點跟蹤（MPPT）方法，其動態(tài)調(diào)整PV電池上的負載以維持其在MPP下的操作。

圖1：在影響太陽能轉換的各種因素中，由負載確定的光伏電池或面板電壓可以顯著改變最大功率點。 （德州儀器公司提供）

MPPT優(yōu)化方法可能很復雜 - 事實上，MPPT算法仍然是學術界和工業(yè)界研究的主題。然而，ADI公司的ADP5090，STMicroelectronics SPV1050和德州儀器公司bq25505等專用能量采集設備提供集成的MPPT功能，可滿足許多能量采集應用的需求。雖然這些支持MPPT的IC簡化了高效能量收集系統(tǒng)的實施，但它們本身就是復雜的設備，需要仔細關注與其配置和操作相關的細節(jié)。

專業(yè)的能量收集設備只需很少的外部元件即可用MPPT實現(xiàn)復雜的太陽能收割機。事實上，模擬ADP5090，ST SPV1050和TI bq25505可用作能量采集電源，能夠從μwatt級環(huán)境光源中提取電能，同時為可充電電池和超級電容器的負載和充電管理提供電源管理。例如，只需幾個無源元件，Analog的ADP5090就可以直接驅動MCU和RF收發(fā)器等外部器件，并與ADI公司的ADP161等穩(wěn)壓器配合使用，為傳感器等電壓敏感器件供電（圖2）。

圖2：專用的能量收集設備，如ADI公司的ADP5090，只需很少的外部元件即可提供完整的太陽能收集設計，并配有MPPT功能，電源管理和電池充電功能。 （由Analog Devices提供）

這些器件中的每一個都使用類似的MPPT方法，利用MPP電壓（VMPP）與太陽能電池的開路電壓（VOC）之間的恒定線性關系或熱電發(fā)電機（TEG）：

其中常數(shù)k取決于特定的PV電池或面板。通常，太陽能電池在加載到其開路電壓的約70％至80％時處于其MPP，并且當加載至約50％VOC時TEG處于MPP。 IC制造商使用這種關系通過簡單的電阻網(wǎng)絡將VMPP設置為適當?shù)陌俜直?。例如，模擬ADP5090使用一對電阻R1和R2設置VMPP（參見上面的圖2）。使用此器件，VMPP = VOC× R1/（R1 + R2），其中R2是從VIN（VOC）連接到ADP5090的MPPT引腳的電阻，R1連接到MPPT和GND 。

在ADP5090正常工作期間，器件將連接到CBP引腳的電容上的VMPP參考電壓存儲在引腳MPPT上。為了確保采樣的VMPP實際上是太陽能電池的MPP，器件定期刷新采樣的VMPP：每隔19秒，ADP5090禁用其集成升壓調(diào)節(jié)器296 ms并重新采樣開路電壓，導致周期性尖峰VIN（圖3）。

圖3：支持MPPT的器件（如ADI公司ADP5090）的操作可能會出現(xiàn)微妙的副作用，例如由于與集成MPPT算法相關的VOC采樣導致的VIN峰值。 （由Analog Devices提供）

雖然MPPT采樣特性是ADP5090功能的一個重要方面，但MPPT只是其中之一。對于希望利用能量收集來為電池充電或以其他方式為電路供電的工程師而言，ADP5090等設備包括一系列復雜的功能，包括升壓調(diào)節(jié)，充電管理，備用電源以及各種信號，如PGOOD，用于指示可用功率電平，最小功率工作電平和電源選擇等等。

ADI公司ADP5090-2-EVALZ評估套件提供完整的能量收集系統(tǒng)，使工程師能夠推遲深入了解ADP5090配置問題，而是專注于其能量收集，電池充電和電源管理功能。實際上，該套件包括圖2所示的全部組件（包括ADP161穩(wěn)壓器，但不包括圖中所示的MCU或ADF7xxx RF收發(fā)器）。例如，該套件完全配置為MPPT，使用R1 =18MΩ和R2 =4.7MΩ的值，根據(jù)需要提供VMPP設置為VOC的80％。

用于評估能量收集bq25505器件，德州儀器bq25505EVM提供一組跳線，使工程師可以輕松地將VMPP/VOC比率設置為幾個預設值。與模擬ADP5090類似，TI bq25505以電阻網(wǎng)絡設定的固定VOC比率對VMPP進行采樣。在TI評估套件中，工程師可以使用電路板的跳線輕松地將太陽能電池的比例設置為80％，或者將TEG的比率設置為50％。

同時使用適當?shù)碾娮柚颠M行設置在VMPP/VOC比率下，能量轉換效率還依賴于正確選擇電容器和電感器，這些電感器和電感器通常用于提高從低功率源獲取能量的設計中的電壓水平。為使升壓轉換正常工作，電感值必須足以允許至少30％的余量，通常高于預期的峰值電感電流。

同樣，輸入電容的選擇至關重要，選擇不當會極大地影響效率。例如，在STMicroelectronics SPV1050使用的400 ms采樣時間內(nèi)，輸入電容CIN由能量源充電至VOC，其時間常數(shù)由電容和電源的等效電阻決定。如果電容過高，電容可能無法在400 ms的時間窗內(nèi)充電，從而影響MPPT精度和整體轉換效率（圖4）。然而，通過使用ST的STEVAL-ISV020V1評估套件，工程師可以確保正確配置基于SPV1050的能量收集設計，能夠優(yōu)化從環(huán)境源提取能量。

圖4：正確確定電阻，電感和電容的大小對于確保最大的能量收集效率至關重要。在這種情況下，為ST SPV1050能量采集IC選擇過大的輸入電容會導致MPPT誤差和效率損失。 （由STMicroelectronics提供）

專為從太陽能和其他能源中獲取能源而設計，ADI公司的ADP5090，STMicroelectronics SPV1050和德州儀器bq25505等專用設備提供復雜的功能，包括MPPT優(yōu)化，充電管理，和備用電源功能。對于能夠充分利用其全部功能的設計人員而言，這些設備可為創(chuàng)建非常復雜的能量收集應用提供顯著優(yōu)勢通過基于這些設備的評估套件的可用性，工程師不僅可以更深入地了解這些設備，還可以更深入地了解能量收集原理。