针对脉冲负载应用的简易太阳能电池板最大功率点追踪解决方案

引言

许多太阳能电池板供电型应用只需功率脉冲便可运行。我们需要频繁地开启数据收集或者测量采样系统，执行测量或者其他任务，发送经过处理或者测量的数据，然后再回到睡眠模式。在许多情况下，以无线方式发送这些数据消耗掉了大部分输出功率。如太阳能电池板等小功率电源，通常难以支持系统本身或者数据发送所需的这些功率脉冲。通过让太阳能电池板工作在最大功率点 (MPP)，并且智能地从电池板获取功率，以实现对电能的管理，从而顺利地驱动脉冲负载。本文将为您介绍一种简单且高成本效益的最大功率点追踪 (MPPT) 解决方案，以供这类脉冲负载系统使用。

太阳能电池板特性

在最大功率点工作时，太阳能电池板可提供峰值输出功率。最大功率点是一个与电池板最高可达输出功率相对应的电压和电流。在光照水平不断变化的情况下，最大功率点追踪方法对来自太阳能电池板的功率进行管理。太阳能电池板的一个特性是，电池板电压随电池板输出电流增加而下降。如果输出电流过高，则电池板电压崩溃，并且输出功率变得非常低。图 1 描述了特定太阳能电池板输出电流及输出功率与其输出电压之间的比较情况。最大功率点已被标示出来。图中，一条水平绿线条表明输出功率至少为 90% 最大功率点时的位置。该线条以上，在“点 1”和“点 2”之间时，电池板输出功率最大。

图 1 太阳能电池板最大功率点图

当太阳能电池板供电型负载仅要求功率脉冲并且不需要全时段供电时，让其工作在 90% 最大功率点以下的一种简单方法是，在“点 1”开启负载，而在“功率点 2”关闭负载。当负载开启时，其获得要求的功率，从而使电池板电压下降。这样，工作点便从“点 1”开始移动，经过最大功率点，最终超过“点 2”。在“点 2”时，负载关闭，电池板电压再次上升。即使是这种简单的操作，我们也必须解决 3 个问题。

首先，相比电池板输出，负载可能会要求不同的电压。因此，我们需要使用一种高效的电源，以将不稳定且相对较高的电池板电压转换为负载可用的恒定电压。

其次，我们需要测量电池板电压，并且根据该电压来关闭或者开启电源。大多数电源都利用一个数字输入来实现开启或者关闭功能。这种输入有一个大概的阈值，以区分逻辑低电平和逻辑高电平。使用这种非精确阈值时，电池板电压便无法直接到达开启状态的输入端。因此，我们需要使用一种具有精确阈值的外部电路。我们可以使用电源电压监测器，但添加器件会带来成本和复杂度的增加。

最后，必须让快速变化的电池板电压慢下来，以便获得充足的工作时间，完成规定的任务。电池板电压从“点1”变到“点2“几乎无需时间——理论上为零秒。这时，当电压从“点1”变到“点2”时，必须开启负载电源，而负载必须完成其任务。这就要求电源拥有非常快速的开启能力，并且能够长时间保持电池板电压，以便完成需要执行的任务。

最大功率点追踪解决方案

我们很难找到一款单器件、低成本的解决方案。它需要使用宽电压范围的功率受限型太阳能电池板输入，同时还要能够高效地提供稳定的输出电压、快速的启动，并且能够在 90% 最大功率点以下工作。TI TPS62125 就是一个这类器件，它可以接受高达 17V 的输入电压，拥有 90% 以上的工作效率，启动时间小于 1 ms，并且拥有一个使用精确阈值的开启输入引脚，其可以直接连接至太阳能电池板电压，以实现最大功率点追踪。这样，便无需添加额外器件来实现这种功能。图 2 显示了一套完整的解决方案。

图 2 脉冲负载的最大功率点追踪电路

由 R1 和 R2 组成的分压器，用于在图 1 所示“点1”时开启电源。在电源开启以前，该器件本身会把 R2 和 R3 之间的这个节点一直保持在地电位。电源开启以后，器件释放该节点，R3便为分压器的组成部分。当太阳能电池板电压降至“点2”时，器件关闭节点，并再次保持 R2 和 R3 之间节点的低电压。这时，电池板电压再次开始上升，直到其达到开启阈值为止。这样便实现一种完全可编程的开启和关闭电压，其可用于任何太阳能电池板。

大容量输入电容 C3 存储来自太阳能电池板的能量，以在规定时间为负载提供功率，并且为电源启动供电。电池板向电源或者 C3 提供与其电压相对应的电流。当电源处于关闭状态时，太阳能电池板向电容提供电流。当电源开启时，电容和太阳能电池板为负载提供所需电流。由于 C3 只是存储能量，然后在相对较长的一段时间内释放存储的能量，就此而言 C3 不失为一款低成本的电解质电容。

所需大容量输入电容计算方法

最大功率点追踪电路设计的第一步是，确定负载的功率需求，然后根据功率要求和所选用的太阳能电池板，计算出所需大容量输入电容的大小。例如，假设一个遥感电路要求 250mA 电流下电压为 3.3V(825 mW)，且供电时间为 15 ms。对于包含有测量器件、微处理器和 RF 发射器的系统而言，这是一种基本需求。

在确定负载的功率需求以后，我们需要计算出 C3 的要求值。首先，为负载供电所需的输入电流可以通过方程式 1 计算得到：

VIN为图1所示“点1”和“点2”之间的平均太阳能电池板电压，而η为给定输出功率的电源效率。请注意，VIN 约为 7.8V 且输出功率为 825mW 时，电源效率一般为 87% 左右。利用这些数值，可以计算得到 IIN=122mA，远大于图 1 所示太阳能电池板的输出能力，因此 C3 必须存储足够的能量，以提供缺少的那部分电流，并且持续时间为 15 ms。方程式 2 根据负载要求和太阳能电池板特性，计算出要求的 C3 值：