太陽能(neng)是(shi)為便攜式(shi)設(she)備供電的有吸引力的能(neng)源。一段時間以來(lai)，它一直被廣泛地用(yong)于諸如計算器(qi)(qi)和(he)航天飛機這(zhe)樣的應用(yong)。最近，人們正考(kao)慮把太陽能(neng)用(yong)于包括移(yi)動(dong)電話充電器(qi)(qi)這(zhe)樣的范圍更寬廣的消費電子(zi)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太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)中獲取最多的(de)功(gong)(gong)率并有效(xiao)地對(dui)鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)呢?首先，我們(men)將討(tao)論太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)工作原理和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)氣輸出(chu)特性(xing);然后(hou)，我們(men)將討(tao)論電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)充電(dian)(dian)(dian)(dian)系(xi)(xi)統(tong)要求以及匹配太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)特性(xing)的(de)系(xi)(xi)統(tong)解決方案，以便從太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)獲取最大的(de)功(gong)(gong)率。

　　太陽能I-V特性(xing)

　　一(yi)般(ban)地(di)說(shuo)，太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)由p-n結構(gou)成，其中的(de)(de)光能(neng)(光子)引起電(dian)子和空穴的(de)(de)重(zhong)新組合，產(chan)生電(dian)流(liu)。因(yin)為p-n結的(de)(de)特(te)性類似(si)于二(er)極(ji)管(guan)的(de)(de)特(te)性，如(ru)圖(tu)1所(suo)示的(de)(de)電(dian)路通常被用于簡化太陽(yang)(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)(de)特(te)性。

　　電(dian)流(liu)源IPH產生(sheng)的(de)(de)電(dian)流(liu)正(zheng)比(bi)于(yu)落在太陽(yang)能(neng)電(dian)池上的(de)(de)光量。在沒有負載連(lian)接(jie)的(de)(de)時候，幾乎所有產生(sheng)的(de)(de)電(dian)流(liu)都流(liu)過二極(ji)管(guan)D，其正(zheng)向電(dian)壓(ya)決(jue)(jue)定太陽(yang)能(neng)電(dian)池的(de)(de)開(kai)路電(dian)壓(ya)(VOC)。該電(dian)壓(ya)的(de)(de)變化嚴格(ge)地取決(jue)(jue)于(yu)每一種(zhong)類型(xing)的(de)(de)太陽(yang)能(neng)電(dian)池。但是(shi)，對于(yu)大多數硅電(dian)池，其0.5V到0.8V之間的(de)(de)電(dian)壓(ya)范圍(wei)恰好就是(shi)p-n結二極(ji)管(guan)的(de)(de)正(zheng)向電(dian)壓(ya)。

　　并(bing)聯電(dian)(dian)阻(RP)代表實(shi)際太(tai)陽能電(dian)(dian)池中(zhong)出現(xian)的(de)微小泄漏電(dian)(dian)流(liu)，Rs代表連接損耗。隨著(zhu)負載(zai)電(dian)(dian)流(liu)增(zeng)加，由太(tai)陽能電(dian)(dian)池所產生的(de)大部分電(dian)(dian)流(liu)被(bei)分流(liu)到二極管并(bing)進(jin)入負載(zai)。對于(yu)大多負載(zai)電(dian)(dian)流(liu)的(de)數(shu)值(zhi)，這只對輸(shu)出電(dian)(dian)壓有很小的(de)影響(xiang)。

　　圖2所(suo)示為(wei)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)特性(xing)，由于(yu)二極管(guan)的(de)(de)(de)I-V特性(xing)存在(zai)微小(xiao)的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)，串聯電(dian)(dian)(dian)阻(Rs)上的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)降也存在(zai)微小(xiao)的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)，但是(shi)，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)保持很大的(de)(de)(de)恒(heng)定。然而，在(zai)一(yi)些點通過內部(bu)二極管(guan)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)是(shi)如此之小(xiao)，以至于(yu)它(ta)變得偏置不(bu)夠，并(bing)且，隨著(zhu)負(fu)(fu)載(zai)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)，跨越它(ta)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)快速減少(shao)。最后，如果所(suo)有產生的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)流(liu)(liu)過負(fu)(fu)載(zai)并(bing)且不(bu)流(liu)(liu)過二極管(guan)的(de)(de)(de)話，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)就為(wei)零(ling)。該電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)被稱為(wei)太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)短(duan)路電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(ISC)，它(ta)與(yu)VOC一(yi)道(dao)是(shi)定義工(gong)作性(xing)能的(de)(de)(de)主要參數(shu)之一(yi)。因(yin)此，太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池(chi)被認為(wei)是(shi)“電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)受限”的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)源。當輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)增(zeng)加(jia)的(de)(de)(de)時候(hou)，其輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)降低，直到最終減少(shao)為(wei)零(ling)，如果負(fu)(fu)載(zai)電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)達到其短(duan)路電(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)(de)話。

　　在(zai)大(da)多(duo)數應用中，人們期望(wang)從太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)池獲取盡可能(neng)多(duo)的(de)(de)功(gong)率。因(yin)(yin)為輸(shu)出(chu)功(gong)率是輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)乘積(ji)，有必要確定電(dian)(dian)池的(de)(de)哪一部(bu)分的(de)(de)工作區域產生(sheng)的(de)(de)輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)乘積(ji)的(de)(de)數值最大(da)，這一點被稱為最大(da)功(gong)率點(MPP)。在(zai)一種極(ji)端(duan)情(qing)(qing)況(kuang)下，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)為其最大(da)數值(VOC)，但(dan)是，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)流(liu)為零(ling);在(zai)其它極(ji)端(duan)情(qing)(qing)況(kuang)下，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)流(liu)位其最大(da)值(ISC)，但(dan)是，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)為零(ling)。在(zai)兩種情(qing)(qing)況(kuang)下，輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)壓(ya)和電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)乘積(ji)都是零(ling)。因(yin)(yin)此(ci)，MPP必須位于(yu)兩種極(ji)端(duan)情(qing)(qing)況(kuang)之間的(de)(de)某處。

　　可以容易(yi)地證明：在任何應(ying)用中(zhong)，MPP實際(ji)上(shang)出(chu)現(xian)在太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)特性(見圖3)下半部的(de)(de)(de)某個位置。實際(ji)上(shang)，問題(ti)在于(yu)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)的(de)(de)(de)MPP的(de)(de)(de)嚴(yan)格位置會根據(ju)光(guang)線和(he)環境溫度變化。因此，所設計的(de)(de)(de)系統要產生最大的(de)(de)(de)太(tai)陽能(neng)，就必須動態地調節(jie)太(tai)陽能(neng)電(dian)池(chi)輸(shu)出(chu)的(de)(de)(de)電(dian)流，以便它(ta)在實際(ji)工作(zuo)條件下位于(yu)或(huo)接(jie)近MPP工作(zuo)。

　　優化(hua)充(chong)電器設計以從太陽能板(ban)獲(huo)得最大的功率。

　　跟(gen)蹤太(tai)陽能(neng)板系(xi)統的(de)(de)(de)MPP的(de)(de)(de)途徑有多(duo)種，這(zhe)些(xie)常常相當復(fu)雜(za)，特(te)別(bie)是(shi)在諸如衛星通(tong)信這(zhe)樣的(de)(de)(de)重要(yao)任務系(xi)統中。然而，在許多(duo)對成本敏感的(de)(de)(de)應用中，極其精(jing)確的(de)(de)(de)MPP跟(gen)蹤方案卻是(shi)不必要(yao)的(de)(de)(de)。所有的(de)(de)(de)要(yao)求就(jiu)是(shi)以簡單、低(di)成本的(de)(de)(de)解(jie)決方案儲存大約90%的(de)(de)(de)可用能(neng)量(liang)。充電控制系(xi)統如何使太(tai)陽能(neng)電池以接近MPP的(de)(de)(de)方式工作呢?

　　動態功率路徑管理(DPPM)技術(shu)可(ke)以滿足跟蹤(zong)MPP所面臨的(de)(de)(de)這種挑戰。圖4顯示了從太陽能板(ban)獲得最大功率的(de)(de)(de)鋰離子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)應用電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路，其中，MOSFET Q2被用于(yu)調節電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流、充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)或(huo)系(xi)統總(zong)線電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)。太陽能板(ban)被用做為單顆(ke)鋰離子(zi)(zi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)。太陽能板(ban)由(you)(you)若干(gan)串在一起(qi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組成，每一串具有(you)11個串聯的(de)(de)(de)硅電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)，其行為就(jiu)像電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流受到限制(zhi)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)源(yuan)，其中，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流限度由(you)(you)太陽能板(ban)的(de)(de)(de)大小以及照射(she)在上面的(de)(de)(de)光(guang)通量來確定。

　　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(de)電(dian)流(liu)大于(yu)太陽能板(ban)所提供的(de)電(dian)流(liu)，就會(hui)造成系統的(de)總(zong)線電(dian)壓開始下降。當系統總(zong)線電(dian)壓跌落(luo)到預設的(de)DPPM閥值(zhi)的(de)時候，電(dian)池充電(dian)控制系統就把系統總(zong)線電(dian)壓調節到DPMM閥值(zhi)。

　　從(cong)這(zhe)(zhe)個太陽(yang)能(neng)板(ban)獲(huo)得的(de)(de)(de)最大輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(VOC)通(tong)常在5.5V到6V之(zhi)間(jian)。因為該電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)低于預設的(de)(de)(de)6V輸(shu)出(chu)調節(jie)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，MOSFET Q1被完全關閉。如(ru)果(guo)(guo)系統和電(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)器所(suo)需要的(de)(de)(de)總電(dian)(dian)(dian)流(liu)超(chao)過太陽(yang)能(neng)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)流(liu)―取(qu)決(jue)于光線強弱―能(neng)力(li)，太陽(yang)能(neng)板(ban)的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)將(jiang)下(xia)跌(die)，從(cong)而(er)使輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(VOUT)下(xia)降。當(dang)VOUT下(xia)降到VDPPM―也是太陽(yang)能(neng)板(ban)的(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)―的(de)(de)(de)時候(hou)，充電(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)流(liu)就(jiu)下(xia)降了(le)。太陽(yang)能(neng)板(ban)現(xian)在將(jiang)在接(jie)近(jin)其MPP的(de)(de)(de)狀態下(xia)工作，如(ru)果(guo)(guo)VDPPM被設置為接(jie)近(jin)MPP的(de)(de)(de)話(hua)。通(tong)過恰當(dang)地把RDPPM編程到一(yi)個電(dian)(dian)(dian)平，就(jiu)容許VOUT保持在最小的(de)(de)(de)4.5V，從(cong)而(er)實現(xian)這(zhe)(zhe)一(yi)點(dian)。這(zhe)(zhe)個VDPPM數值就(jiu)被人(ren)們所(suo)采(cai)用，因為它相當(dang)符合太陽(yang)能(neng)板(ban)的(de)(de)(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的(de)功(gong)率小于(yu)太陽能板能夠提供的(de)功(gong)率的(de)情況(kuang)下。在這(zhe)種情況(kuang)下，降低效率不(bu)是那么重(zhong)要。如圖(tu)3所示，隨著輸(shu)(shu)出(chu)功(gong)率逼(bi)近MPP，輸(shu)(shu)出(chu)功(gong)率曲線(xian)變得十(shi)分(fen)平(ping)坦(tan)，然(ran)后，突然(ran)急劇下降。因此，把(ba)VDPPM設置得稍高比設置得稍低要好(hao)(hao)。這(zhe)樣做將把(ba)不(bu)正確的(de)工作點(dian)對輸(shu)(shu)出(chu)功(gong)率的(de)影響(xiang)最小化(hua)。如果太陽能板提供的(de)功(gong)率不(bu)足以為系統供電(dian)(dian)(dian)(dian)，甚至(zhi)當電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)已(yi)經被降低到(dao)零的(de)時候(hou)，MOSFET Q2就導通，VOUT下降到(dao)剛好(hao)(hao)低于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓VBAT，并且電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)提供太陽能板所不(bu)能提供的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。

　　如果充電器工(gong)作在DPPM狀態，內部安(an)全定時(shi)器(qi)(qi)就(jiu)(jiu)自動地(di)延長時(shi)間。因此(ci)，當考慮諸如(ru)低光線(xian)或無光條件之類的(de)(de)特殊工(gong)作條件時(shi)，電池充電就(jiu)(jiu)非(fei)常低，或電池可(ke)能(neng)甚至(zhi)工(gong)作在放電模式。要設置覆(fu)蓋所有應用的(de)(de)合適的(de)(de)充電安(an)全定時(shi)器(qi)(qi)幾乎是(shi)不可(ke)能(neng)的(de)(de)。否(fou)則(ze)，就(jiu)(jiu)可(ke)能(neng)產生一個虛(xu)假(jia)的(de)(de)安(an)全定時(shi)器(qi)(qi)錯誤(wu)。因此(ci)，解(jie)決這(zhe)個問題的(de)(de)一個選項就(jiu)(jiu)是(shi)禁止安(an)全定時(shi)器(qi)(qi)工(gong)作。

　　太陽能(neng)(neng)板所提供的(de)(de)(de)電源被認(ren)為是“電流受限(xian)”的(de)(de)(de)電壓源。太陽能(neng)(neng)板對(dui)鋰電池的(de)(de)(de)最大充(chong)電功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)實現(xian)途徑是：當系(xi)統和(he)電池充(chong)電所需要的(de)(de)(de)總電流超過太陽能(neng)(neng)板的(de)(de)(de)輸出(chu)電流能(neng)(neng)力(li)時，要通過降低充(chong)電電流來調(diao)節(jie)MPP附近的(de)(de)(de)系(xi)統總線電壓。對(dui)于(yu)設計一個可(ke)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)太陽能(neng)(neng)板供電的(de)(de)(de)系(xi)統來說，關(guan)鍵的(de)(de)(de)元素就是系(xi)統功(gong)率(lv)(lv)和(he)電池充(chong)電功(gong)率(lv)(lv)控制架構。