太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)是為便攜式設備供電的(de)有吸引(yin)力的(de)能(neng)(neng)源。一(yi)段時(shi)間以來(lai)，它一(yi)直被廣泛地(di)用(yong)于諸如計算器和(he)航天(tian)飛機這(zhe)樣的(de)應用(yong)。最近(jin)，人們正考慮把太(tai)(tai)陽能(neng)(neng)用(yong)于包括移(yi)動電話充電器這(zhe)樣的(de)范圍更寬廣的(de)消費電子應用(yong)。

　　然而，太陽能電池板所提供的功率高度依賴于工作環境。這包括諸如光密度、時間和位置之類的因素。因此，電池通常被用作能量存儲單元。當來自太陽能板的電能有余的時候，就可以對電池充電;當太陽能板提供的電能不足時，電池就可以為系統供電。我們如何設計鋰離子電池充電器以便從(cong)(cong)太(tai)陽能(neng)電池(chi)(chi)中獲(huo)取(qu)最多的(de)功率并有(you)效(xiao)地對(dui)鋰電池(chi)(chi)充電呢?首先，我們將討(tao)論(lun)太(tai)陽能(neng)電池(chi)(chi)的(de)工作原理和(he)電氣輸出特(te)性;然(ran)后，我們將討(tao)論(lun)電池(chi)(chi)充電系統要求(qiu)以及匹配(pei)太(tai)陽能(neng)電池(chi)(chi)特(te)性的(de)系統解決方案，以便從(cong)(cong)太(tai)陽能(neng)電池(chi)(chi)獲(huo)取(qu)最大(da)的(de)功率。

　　太(tai)陽能I-V特性

　　一般地(di)說，太陽能(neng)電(dian)池(chi)由p-n結(jie)構成，其中的(de)光(guang)能(neng)(光(guang)子(zi))引起電(dian)子(zi)和(he)空(kong)穴的(de)重新(xin)組合，產(chan)生電(dian)流。因為p-n結(jie)的(de)特(te)性(xing)類似于二極管的(de)特(te)性(xing)，如圖1所示(shi)的(de)電(dian)路通常被用(yong)于簡化太陽能(neng)電(dian)池(chi)的(de)特(te)性(xing)。

　　電流源IPH產(chan)生的(de)(de)電流正(zheng)比于(yu)(yu)落在太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)上的(de)(de)光量。在沒(mei)有(you)負(fu)載連接的(de)(de)時候(hou)，幾乎所有(you)產(chan)生的(de)(de)電流都流過二極管D，其正(zheng)向電壓決定太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)的(de)(de)開路電壓(VOC)。該電壓的(de)(de)變(bian)化嚴格地取決于(yu)(yu)每一種類型的(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)電池(chi)。但是(shi)，對于(yu)(yu)大多(duo)數硅(gui)電池(chi)，其0.5V到0.8V之間的(de)(de)電壓范圍恰好就是(shi)p-n結二極管的(de)(de)正(zheng)向電壓。

　　并(bing)聯電(dian)(dian)阻(RP)代(dai)表實際(ji)太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池中(zhong)出現的微小泄(xie)漏電(dian)(dian)流(liu)，Rs代(dai)表連接損(sun)耗。隨(sui)著負載(zai)(zai)電(dian)(dian)流(liu)增加，由太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池所(suo)產生的大部分電(dian)(dian)流(liu)被分流(liu)到(dao)二(er)極管并(bing)進(jin)入負載(zai)(zai)。對于大多負載(zai)(zai)電(dian)(dian)流(liu)的數值(zhi)，這(zhe)只(zhi)對輸出電(dian)(dian)壓有很小的影響。

　　圖2所示為(wei)(wei)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)輸(shu)出(chu)(chu)特性(xing)，由于二(er)極管(guan)的(de)I-V特性(xing)存在微小的(de)變化，串聯電(dian)(dian)阻(zu)(Rs)上的(de)電(dian)(dian)壓(ya)降也(ye)存在微小的(de)變化，但是(shi)，輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)壓(ya)保持很(hen)大的(de)恒定。然而，在一些點通過(guo)內部(bu)二(er)極管(guan)的(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)是(shi)如(ru)(ru)此之小，以至于它(ta)變得偏(pian)置不夠(gou)，并且(qie)，隨著負(fu)載電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)增加，跨越它(ta)的(de)電(dian)(dian)壓(ya)快(kuai)速減(jian)少。最后，如(ru)(ru)果所有產生的(de)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)流(liu)(liu)(liu)過(guo)負(fu)載并且(qie)不流(liu)(liu)(liu)過(guo)二(er)極管(guan)的(de)話，輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)壓(ya)就為(wei)(wei)零。該電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)被(bei)稱為(wei)(wei)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)短(duan)路(lu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)(ISC)，它(ta)與VOC一道是(shi)定義工作(zuo)性(xing)能的(de)主要參(can)數之一。因此，太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)池(chi)(chi)被(bei)認為(wei)(wei)是(shi)“電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)受限”的(de)電(dian)(dian)源。當輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)增加的(de)時(shi)候，其輸(shu)出(chu)(chu)電(dian)(dian)壓(ya)降低，直到(dao)(dao)最終減(jian)少為(wei)(wei)零，如(ru)(ru)果負(fu)載電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)達到(dao)(dao)其短(duan)路(lu)電(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)的(de)話。

　　在(zai)大(da)(da)多(duo)(duo)數(shu)(shu)應用中，人們期望從太陽能(neng)電池獲取盡可(ke)能(neng)多(duo)(duo)的(de)功率。因(yin)為輸(shu)出(chu)(chu)功率是(shi)輸(shu)出(chu)(chu)電壓和(he)電流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)，有必(bi)要確定電池的(de)哪一(yi)部分的(de)工作區域產生的(de)輸(shu)出(chu)(chu)電壓和(he)電流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)的(de)數(shu)(shu)值最(zui)大(da)(da)，這一(yi)點(dian)被稱為最(zui)大(da)(da)功率點(dian)(MPP)。在(zai)一(yi)種極(ji)端情況下，輸(shu)出(chu)(chu)電壓為其最(zui)大(da)(da)數(shu)(shu)值(VOC)，但是(shi)，輸(shu)出(chu)(chu)電流(liu)為零(ling);在(zai)其它極(ji)端情況下，輸(shu)出(chu)(chu)電流(liu)位其最(zui)大(da)(da)值(ISC)，但是(shi)，輸(shu)出(chu)(chu)電壓為零(ling)。在(zai)兩種情況下，輸(shu)出(chu)(chu)電壓和(he)電流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)都是(shi)零(ling)。因(yin)此，MPP必(bi)須位于兩種極(ji)端情況之(zhi)間的(de)某(mou)處。

　　可以容易地(di)證(zheng)明：在任(ren)何應用中，MPP實(shi)際(ji)(ji)上出(chu)(chu)(chu)現在太(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)的(de)(de)輸出(chu)(chu)(chu)特性(見圖3)下半部的(de)(de)某個(ge)位(wei)(wei)置(zhi)。實(shi)際(ji)(ji)上，問題在于(yu)太(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)的(de)(de)MPP的(de)(de)嚴格位(wei)(wei)置(zhi)會根據光(guang)線和環境溫度(du)變化。因此，所設計的(de)(de)系統(tong)要產生(sheng)最大的(de)(de)太(tai)陽(yang)能，就必(bi)須動態地(di)調節太(tai)陽(yang)能電池(chi)(chi)輸出(chu)(chu)(chu)的(de)(de)電流，以便它在實(shi)際(ji)(ji)工(gong)作(zuo)條(tiao)件下位(wei)(wei)于(yu)或接近MPP工(gong)作(zuo)。

　　優化充電器(qi)設計以從太(tai)陽能板(ban)獲得(de)最大的功率。

　　跟(gen)蹤太陽(yang)(yang)能板系(xi)統(tong)(tong)(tong)的MPP的途徑有多種，這些常常相當復雜(za)，特別是在(zai)諸如衛星通(tong)信(xin)這樣的重要任(ren)務(wu)系(xi)統(tong)(tong)(tong)中。然(ran)而，在(zai)許多對成本敏感的應用(yong)(yong)中，極其精(jing)確的MPP跟(gen)蹤方案卻是不必(bi)要的。所有的要求就是以(yi)簡單、低成本的解決(jue)方案儲(chu)存大約90%的可用(yong)(yong)能量。充電控制系(xi)統(tong)(tong)(tong)如何使太陽(yang)(yang)能電池以(yi)接近MPP的方式工作(zuo)呢?

　　動態(tai)功率路(lu)徑管理(DPPM)技(ji)術可(ke)以滿(man)足(zu)跟(gen)蹤MPP所面(mian)臨的(de)(de)(de)這種挑戰。圖4顯示了從太陽(yang)(yang)能板獲得最大(da)功率的(de)(de)(de)鋰離(li)子(zi)電(dian)池(chi)充電(dian)應用電(dian)路(lu)，其(qi)中(zhong)，MOSFET Q2被用于調節(jie)電(dian)池(chi)充電(dian)電(dian)流、充電(dian)電(dian)壓(ya)或系統總線(xian)電(dian)壓(ya)。太陽(yang)(yang)能板被用做為單顆鋰離(li)子(zi)電(dian)池(chi)充電(dian)的(de)(de)(de)電(dian)源。太陽(yang)(yang)能板由若干串在(zai)一(yi)起的(de)(de)(de)電(dian)池(chi)組成(cheng)，每一(yi)串具有(you)11個串聯的(de)(de)(de)硅電(dian)池(chi)，其(qi)行為就像電(dian)流受到(dao)限(xian)制的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)源，其(qi)中(zhong)，電(dian)流限(xian)度由太陽(yang)(yang)能板的(de)(de)(de)大(da)小(xiao)以及照(zhao)射在(zai)上(shang)面(mian)的(de)(de)(de)光(guang)通量來確定(ding)。

　　DPPM監測因電流受限電源引起的系統總線電壓(VOUT)降。連接到系統總線上的電容(CO)開始放電，一旦系統所需要的電流和電池充電器的電流大于太(tai)陽能板所提供的電流，就會造成(cheng)系(xi)(xi)統(tong)的總(zong)線(xian)電壓(ya)開始(shi)下(xia)降。當系(xi)(xi)統(tong)總(zong)線(xian)電壓(ya)跌落(luo)到預(yu)設(she)的DPPM閥值的時候(hou)，電池充(chong)電控(kong)制系(xi)(xi)統(tong)就把系(xi)(xi)統(tong)總(zong)線(xian)電壓(ya)調(diao)節到DPMM閥值。

　　從這個(ge)太陽能(neng)(neng)板(ban)獲得(de)的(de)最大輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(VOC)通常在5.5V到(dao)6V之間(jian)。因(yin)為該電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)低于預(yu)設的(de)6V輸出(chu)(chu)調節(jie)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)，MOSFET Q1被(bei)完全關閉。如(ru)果系統和電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)器(qi)所需要的(de)總電(dian)(dian)(dian)流超過太陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池的(de)輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)流―取決于光線強(qiang)弱―能(neng)(neng)力(li)，太陽能(neng)(neng)板(ban)的(de)輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)將下跌，從而使輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(VOUT)下降(jiang)。當VOUT下降(jiang)到(dao)VDPPM―也是太陽能(neng)(neng)板(ban)的(de)輸出(chu)(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)―的(de)時(shi)候，充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流就下降(jiang)了。太陽能(neng)(neng)板(ban)現在將在接(jie)近(jin)其MPP的(de)狀態下工(gong)作，如(ru)果VDPPM被(bei)設置為接(jie)近(jin)MPP的(de)話。通過恰當地(di)把RDPPM編程到(dao)一個(ge)電(dian)(dian)(dian)平(ping)，就容許VOUT保(bao)持在最小的(de)4.5V，從而實現這一點。這個(ge)VDPPM數值就被(bei)人們(men)所采用(yong)，因(yin)為它相當符合太陽能(neng)(neng)板(ban)的(de)MPP。

　　假設跨越MOSFET Q1的電壓降為300mV，那么，跨越每一個電池的電壓將等于436mV，從而把太陽能板的功率輸出最大化。如果VOUT大于4.5V，DPPM功能毫無作用―要把太陽能板從其MPP移開。但是，這只能發生在如果系統及電池充電器所需要(yao)的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)小于(yu)太陽能(neng)(neng)板能(neng)(neng)夠提供(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)情況(kuang)下。在這(zhe)種情況(kuang)下，降(jiang)低效率(lv)(lv)不(bu)是那么重要(yao)。如圖3所示，隨著輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)(lv)逼近(jin)MPP，輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)(lv)曲線變得(de)(de)十分平坦(tan)，然后，突然急劇下降(jiang)。因此，把VDPPM設置(zhi)(zhi)得(de)(de)稍高(gao)比設置(zhi)(zhi)得(de)(de)稍低要(yao)好。這(zhe)樣(yang)做將(jiang)把不(bu)正確(que)的(de)(de)(de)工作點(dian)對輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)影響最小化。如果太陽能(neng)(neng)板提供(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)不(bu)足以為(wei)系統供(gong)(gong)(gong)電(dian)(dian)(dian)，甚至當電(dian)(dian)(dian)池充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流已經被降(jiang)低到零的(de)(de)(de)時候，MOSFET Q2就導通，VOUT下降(jiang)到剛好低于(yu)電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓VBAT，并且電(dian)(dian)(dian)池提供(gong)(gong)(gong)太陽能(neng)(neng)板所不(bu)能(neng)(neng)提供(gong)(gong)(gong)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流。

　　如果充電器工作在DPPM狀(zhuang)態，內部(bu)安全定時(shi)器就(jiu)自(zi)動地延長時(shi)間。因(yin)此，當考慮諸如低光線或無光條(tiao)件(jian)之(zhi)類的(de)特殊工作條(tiao)件(jian)時(shi)，電(dian)池充(chong)電(dian)就(jiu)非常低，或電(dian)池可(ke)能(neng)甚(shen)至工作在放電(dian)模式。要設置覆蓋所有(you)應用(yong)的(de)合適的(de)充(chong)電(dian)安全定時(shi)器幾(ji)乎是不可(ke)能(neng)的(de)。否則，就(jiu)可(ke)能(neng)產生一個虛(xu)假的(de)安全定時(shi)器錯(cuo)誤。因(yin)此，解決這個問題的(de)一個選項就(jiu)是禁(jin)止安全定時(shi)器工作。

　　太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)板(ban)所提供的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)源被(bei)認為是“電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)受限”的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)源。太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)板(ban)對鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)最大(da)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)實現途徑是：當系(xi)統(tong)和電(dian)(dian)(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)所需要的(de)(de)總電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)超過(guo)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)板(ban)的(de)(de)輸出電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)能(neng)(neng)(neng)力時，要通過(guo)降低充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)來調節MPP附近的(de)(de)系(xi)統(tong)總線(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)。對于設計一個可能(neng)(neng)(neng)的(de)(de)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)板(ban)供電(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)系(xi)統(tong)來說，關鍵的(de)(de)元素(su)就是系(xi)統(tong)功(gong)率(lv)(lv)和電(dian)(dian)(dian)(dian)池充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)功(gong)率(lv)(lv)控制(zhi)架(jia)構。