高能效太陽能充電控制器設計實例

　　眾所周知，太陽能電池板有一個IV 曲線，它表示該太陽能電池板的輸出性能，分別代表著電流電壓數值。兩條線的交叉點表示的電壓電流就是這塊太陽能電池板的功率。不利的是，IV曲線會隨輻照度、溫度和使用年限而變化。輻照度是給定表面輻射事件的密度，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特數表示。如果太陽能電池板沒有機械式陽光追蹤能力，一年中輻照度會隨著太陽的移動變化約±23度。此外，每天從地平線到地平線太陽移動的輻照度變化，可導致輸出功率在一整天的變化。為此，安森美半導體開發了一款太陽能電池控制器NCP1294，用來實現太陽能電池板的最大峰值功率點跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。本文將介紹該器件的一些主要功能和應用時需要注意的問題。

　　增強型電壓模式 PWM 控制器

　　NCP1294 是一款固定頻率電壓模式 PWM 前饋控制器，包含電壓模式運作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓撲結構的充電控制器，NCP1294 針對高頻初級端控制操作進行了優化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高達 140 W 的太陽能板。這款器件提供的 MPPT功能能夠定位最大功率點，并實時根據環境條件來調節，使控制器保持接近最大功率點，從而從太陽能板析取最大的電量，提供最佳的能效。

　　此外，NCP1294 還具有軟啟動、精確控制占空比限制、低于 50 μA 的啟動電流、過壓和欠壓保護等功能。在太陽能應用中，NCP1294 可以作為一種靈活的解決方案，用在模塊級電源管理（MLPM）解決方案?；?NCP1294 的參考設計最大功率點追蹤誤差小于 5%，可以為串聯或并聯的四個電池充電。圖 1 是NCP1294 120 W 太陽能控制器框圖。

　　圖 1：安森美半導體的 NCP1294 120 W 太陽能控制器框圖

　　如圖 1 所示，該系統的核心是功率段，它必須承受 12 V 至 60 V 的輸入電壓，并產生 12 V 至 36 V 的輸出。由于輸入電壓范圍覆蓋了所需的輸出電壓，必須有一個降壓-升壓拓撲結構來支持應用。設計人員可以選擇多種拓撲結構：SEPIC、非反相降壓-升壓。反激式、單開關正激、雙開關正激、半橋、全橋或其他拓撲結構。

　　設計工作包括根據功率需求的增加隔離拓撲結構。電池充電狀態的管理是由適當的充電算法完成的。太陽能電池板安裝技師可以選擇輸出電壓和電池充電速率。由于控制器要連接到太陽能電池板，它必須具有最大功率點跟蹤，為最終客戶提供高價值?？刂破饔袃蓚€正使能（Enable）電路，一個電路檢測黑夜時間，另一個檢測電池的充電狀態，使外部電路不會使電池對損壞點放電。由于控制器將由不同程度經驗的現場技術人員和新手安裝，因此重要的是輸入和輸出必須有反向極性保護。另外，控制器和電池可能安裝在過熱或過冷的位置，控制器必須采用電池充電溫度補償。設計還應包括安全功能，如電池過壓檢測和太陽能電池板欠壓檢測。

　　動態 MPPT 工作原理

　　為了從功率可變的電源（即太陽能電池板）析取出最大的功率，太陽能控制器必須采用 MPPT。MPPT 必須首先找到最大功率點并及時調整環境條件，以保持控制器接近最大功率點。動態 MPPT 用在系統發生改變的情況下。由于每個開關周期都在發生變化，太陽能電池板汲取的功率也會在每個周期有明顯的改變。動態MPPT利用太陽能電池板的電壓驟降乘以每個開關周期增加的電流，以確定將要產生的誤差信號來調節占空比。動態響應可檢測 IV 曲線的斜率，從而建立一個功率斜坡，從誤差信號相交點建立一個代表占空比的功率。當斜坡變化斜率從正到負時該周期結束，如圖 2 所示。

　　圖 2：PWM 穩壓轉換器的電壓和電流

　　前饋電壓模式控制

　　在傳統電壓模式控制中，斜坡信號有一個固定的上升和下降斜率。反饋信號僅來自輸出電壓。因此，電壓模式控制線路穩壓效果較差，且具有音頻易感性。前饋電壓模式控制源于斜坡信號輸入線路。因此，斜坡的斜率隨輸入電壓而變化。前饋功能也可以提供一個伏秒鉗位，這就限制了輸入電壓和導通時間的最大乘積值。電路中的鉗位電路，如正激和反激式轉換器可用來防止變壓器飽和。

　　NCP1294 太陽能充電控制器應用設計流程

　　當選擇太陽能控制器拓撲結構時，重要的是要了解轉換器的基本操作及其局限性。選擇的拓撲結構是非反相四開關非同步降壓-升壓拓撲結構。轉換器利用來自 NCP1294 的控制信號運行，Q1 和 Q2 同時導通為 L1 充電。四開關降壓-升壓拓撲結構如圖 3 所示，其中的電感器用來控制電壓和電流。

　　圖 3：四開關降壓-升壓拓撲結構

　　四開關非反相降壓-升壓有兩種操作模式，即降壓模式和降壓-升壓模式。在降壓模式下，轉換器產生輸入電壓脈沖，它經過 LC 濾波來產生一個較低的直流輸出電壓。輸出電壓可以通過修改相對于開關周期或開關頻率的導通時間來改變。

　　如果輸出電壓可能達到 1％至 89％，太陽能控制器即運行在降壓模式。如果由于占空比的限制而無法達到該輸出電壓，它會切換到降壓-升壓模式，此時即可達到該輸出電壓。從 89％到較低占空比的變化，如圖 4 所示。

　　圖 4：多個電池降壓和升壓模式之間的傳遞比

　　需要注意的是，當轉換器模式從降壓到降壓-升壓切換時，誤差信號將需要一段時間來改變占空比。模式的瞬時變化將使降壓-升壓轉換器試圖在 89％占空比進行切換，并試圖轉換至 47%；這會導致轉換器試圖在失衡區（trade over region）輸出 130 V 的結果。NCP1294 通過脈沖電流限制器提供了一個脈沖，可以阻止轉換器能量達到危險的程度，在占空比條件下實現緩和過渡。

　　補償網絡

　　要創建一個穩定的電源，誤差放大器周圍的補償網絡必須配合 PWM 發生器和功率級使用。由于功率級設計的標準是根據應用設置的，補償網絡必須有正確的整體輸出，以確保穩定性。NCP1294 是一個電壓模式電壓前饋器件，因此需要一個采用輸入電壓修改斜坡的電壓環路。功率級的輸出電感和電容可形成一個雙極點，環路必須為此進行補償。

　　系統開啟和電池電流消耗

　　正在創建的系統連接了兩個有限源，將在一天的不同時間為負載供電，如果是在同一時間將不會供電，除了短暫時間。該系統并不完整，沒有安裝電池和太陽能電池板，因此，有利于電池負載和太陽能電池板源存在與否的檢測。例如，如果沒有連接電池，在提供電池電壓時，它不會消耗太陽能電池板的能量。如果連接了太陽能電池板，為了尋找要連接的太陽能電池板，電池將被耗盡。檢查太陽能電池板連接和電池連接的一個簡單解決方案是使用低電流消耗比較器。

　　在白天時間系統對電池充電，而在夜間電池放電照亮定義的空間。雖然輸入能量不能保證，但輸出能量可在相當長的時間保持不變。如果一個系統的大小不合適，電池可能因放電而損壞。要防止電池損壞，必須用 LED 電路抑制操作，防止電池耗盡。