锂电池充电器设计技巧：从太阳能电池获取更大功率

太阳能是为便携式设备供电的有吸引力的能源。一段时间以来，它一直被广泛地用于诸如计算器和航天飞机这样的应用。最近，人们正考虑把太阳能用于包括移动电话充电器这样的范围更宽广的消费电子应用。

　　然而， 太阳能电池板所提供的功率高度依赖于工作环境。这包括诸如光密度、时间和位置之类的因素。因此，电池通常被用作能量存储单元。当来自太阳能板的电能有余的时候，就可以对电池充电；当太阳能板提供的电能不足时，电池就可以为系统供电。我们如何设计锂例子电池充电器以便从太阳能电池中获取最多的功率并有效地对锂电池充电呢？首先，我们将讨论太阳能电池的工作原理和电气输出特性；然后，我们将讨论电池充电系统要求以及匹配太阳能电池特性的系统解决方案，以便从太阳能电池获取最大的功率。

太阳能I-V特性

　　一般地说，太阳能电池由p-n结构成，其中的光能(光子)引起电子和空穴的重新组合，产生电流。因为p-n结的特性类似于二极管的特性，如图1所示的电路通常被用于简化太阳能电池的特性。

 

图1：简化的太阳能电池的电路模型。

　　电流源IPH产生的电流正比于落在太阳能电池上的光量。在没有负载连接的时候，几乎所有产生的电流都流过二极管D，其正向电压决定太阳能电池的开路电压(VOC)。该电压的变化严格地取决于每一种类型的太阳能电池。但是，对于大多数硅电池，其0.5V到0.8V之间的电压范围恰好就是p-n结二极管的正向电压。

　　并联电阻(RP)代表实际太阳能电池中出现的微小泄漏电流，Rs代表连接损耗。随着负载电流增加，由太阳能电池所产生的大部分电流被分流到二极管并进入负载。对于大多负载电流的数值，这只对输出电压有很小的影响。

　　图2所示为太阳能电池的输出特性，由于二极管的I-V特性存在微小的变化，串联电阻(Rs)上的电压降也存在微小的变化，但是，输出电压保持很大的恒定。然而，在一些点通过内部二极管的电流是如此之小，以至于它变得偏置不够，并且，随着负载电流的增加，跨越它的电压快速减少。最后，如果所有产生的电流流过负载并且不流过二极管的话，输出电压就为零。该电流被称为太阳能电池的短路电流(ISC)，它与VOC一道是定义工作性能的主要参数之一。因此，太阳能电池被认为是“电流受限”的电源。当输出电流增加的时候，其输出电压降低，直到最终减少为零，如果负载电流达到其短路电流的话。

 

图2：典型的太阳能电池I-V特性。

　　在大多数应用中，人们期望从太阳能电池获取尽可能多的功率。因为输出功率是输出电压和电流的乘积，有必要确定电池的哪一部分的工作区域产生的输出电压和电流的乘积的数值最大，这一点被称为最大功率点(MPP)。在一种极端情况下，输出电压为其最大数值(VOC)，但是，输出电流为零；在其它极端情况下，输出电流位其最大值(ISC)，但是，输出电压为零。在两种情况下，输出电压和电流的乘积都是零。因此，MPP必须位于两种极端情况之间的某处。

　　可以容易地证明：在任何应用中，MPP实际上出现在太阳能电池的输出特性(见图3)下半部的某个位置。实际上，问题在于太阳能电池的MPP的严格位置会根据光线和环境温度变化。因此，所设计的系统要产生最大的太阳能，就必须动态地调节太阳能电池输出的电流，以便它在实际工作条件下位于或接近MPP工作。

 

图3：太阳能电池输出特性。

　　优化充电器设计以从太阳能板获得最大的功率。

　　跟踪太阳能板系统的MPP的途径有多种，这些常常相当复杂，特别是在诸如卫星通信这样的重要任务系统中。然而，在许多对成本敏感的应用中，极其精确的MPP跟踪方案却是不必要的。所有的要求就是以简单、低成本的解决方案储存大约90%的可用能量。充电控制系统如何使太阳能电池以接近MPP的方式工作呢？

　　动态功率路径管理(DPPM)技术可以满足跟踪MPP所面临的这种挑战。图4显示了从太阳能板获得最大功率的锂离子电池充电应用电路，其中，MOSFET Q2被用于调节电池充电电流、充电电压或系统总线电压。太阳能板被用做为单颗锂离子电池充电的电源。太阳能板由若干串在一起的电池组成，每一串具有11个串联的硅电池，其行为就像电流受到限制的电压源，其中，电流限度由太阳能板的大小以及照射在上面的光通量来确定。

　　DPPM监测因电流受限电源引起的系统总线电压(VOUT)降。连接到系统总线上的电容(CO)开始放电，一旦系统所需要的电流和电池充电器的电流大于太阳能板所提供的电流，就会造成系统的总线电压开始下降。当系统总线电压跌落到预设的DPPM阀值的时候，电池充电控制系统就把系统总线电压调节到DPMM阀值。

 

图4：利用太阳能板对一个锂离子电池充电。

　　从这个太阳能板获得的最大输出电压(VOC)通常在5.5V到6V之间。因为该电压低于预设的6V输出调节电压，MOSFET Q1被完全关闭。如果系统和电池充电器所需要的总电流超过太阳能电池的输出电流—取决于光线强弱—能力，太阳能板的输出电压将下跌，从而使输出电压(VOUT)下降。当VOUT下降到VDPPM—也是太阳能板的输出电压—的时候，充电电流就下降了。太阳能板现在将在接近其MPP的状态下工作，如果VDPPM被设置为接近MPP的话。通过恰当地把RDPPM编程到一个电平，就容许VOUT保持在最小的4.5V，从而实现这一点。这个VDPPM数值就被人们所采用，因为它相当符合太阳能板的MPP。

　　假设跨越 MOSFET Q1的电压降为300mV，那么，跨越每一个电池的电压将等于436mV，从而把太阳能板的功率输出最大化。如果VOUT大于4.5V，DPPM功能毫无作用—要把太阳能板从其MPP移开。但是，这只能发生在如果系统及电池充电器所需要的功率小于太阳能板能够提供的功率的情况下。在这种情况下，降低效率不是那么重要。如图3所示，随着输出功率逼近MPP，输出功率曲线变得十分平坦，然后，突然急剧下降。因此，把VDPPM设置得稍高比设置得稍低要好。这样做将把不正确的工作点对输出功率的影响最小化。如果太阳能板提供的功率不足以为系统供电，甚至当电池充电电流已经被降低到零的时候，MOSFET Q2就导通，VOUT下降到刚好低于电池电压VBAT，并且电池提供太阳能板所不能提供的电流。

　　如果充电器工作在DPPM状态，内部安全定时器就自动地延长时间。因此，当考虑诸如低光线或无光条件之类的特殊工作条件时，电池充电就非常低，或电池可能甚至工作在放电模式。要设置覆盖所有应用的合适的充电安全定时器几乎是不可能的。否则，就可能产生一个虚假的安全定时器错误。因此，解决这个问题的一个选项就是禁止安全定时器工作。

本文小结

　　太阳能板所提供的电源被认为是“电流受限”的电压源。太阳能板对锂电池的最大充电功率的实现途径是：当系统和电池充电所需要的总电流超过太阳能板的输出电流能力时，要通过降低充电电流来调节MPP附近的系统总线电压。对于设计一个可能的太阳能板供电的系统来说，关键的元素就是系统功率和电池充电功率控制架构。

关于作者

　　Jinrong Qian是TI公司便携式电源/电池管理组的应用工程经理和技术职员的著名成员。他已经出版了40篇对等评论功率电子处理和电源管理的文章，并拥有19项美国专利。他1985年获得浙江大学的电气工程理学学士学位，1997年获得维吉尼亚理工大学的博士学位。可以通过电子邮件[email protected]与他联系。

　　Nigel Smith是TI公司负责便携式应用电源系统设计的系统工程师，在假如TI之前，Nigel在航空工业工作了几年，期间，他设计了若干基于NiCd和锂离子的卫星电源系统。他获得了英国索尔福德大学的电子理学学士学位。可以通过电子邮件[email protected]与他联系。