眾所周知，太陽能電池板有一個(gè)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(shù)值。兩條線的交叉點(diǎn)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(huì)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?cái)?shù)表示。如果太陽能電池板沒有機(jī)械式陽光追蹤能力,，一年中輻照度會(huì)隨著太陽的移動(dòng)變化約±23度,。此外，每天從地平線到地平線太陽移動(dòng)的輻照度變化,，可導(dǎo)致輸出功率在一整天的變化,。為此，安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一款太陽能電池控制器NCP1294,，用來實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的最大峰值功率點(diǎn)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(yīng)用時(shí)需要注意的問題。

　　增強(qiáng)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(yùn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電控制器,，NCP1294針對(duì)高頻初級(jí)端控制操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能,，支持功率最高達(dá)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(diǎn)，并實(shí)時(shí)根據(jù)環(huán)境條件來調(diào)節(jié),，使控制器保持接近最大功率點(diǎn),，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(dòng)、精確控制占空比限制,、低于50 μA的啟動(dòng)電流,、過壓和欠壓保護(hù)等功能。在太陽能應(yīng)用中,，NCP1294可以作為一種靈活的解決方案,，用在模塊級(jí)電源管理（MLPM）解決方案?；贜CP1294的參考設(shè)計(jì)最大功率點(diǎn)追蹤誤差小于5%,，可以為串聯(lián)或并聯(lián)的四個(gè)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(dǎo)體的NCP1294 120 W太陽能控制器框圖

　　如圖1所示,，該系統(tǒng)的核心是功率段，它必須承受12 V至60 V的輸入電壓,，并產(chǎn)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(gè)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來支持應(yīng)用,。設(shè)計(jì)人員可以選擇多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：SEPIC、非反相降壓-升壓,。反激式,、單開關(guān)正激、雙開關(guān)正激,、半橋,、全橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。

　　設(shè)計(jì)工作包括根據(jù)功率需求的增加隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電池充電狀態(tài)的管理是由適當(dāng)?shù)某潆娝惴ㄍ瓿傻?。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(diǎn)跟蹤,，為最終客戶提供高價(jià)值,。控制器有兩個(gè)正使能（Enable）電路,，一個(gè)電路檢測黑夜時(shí)間,，另一個(gè)檢測電池的充電狀態(tài)，使外部電路不會(huì)使電池對(duì)損壞點(diǎn)放電,。由于控制器將由不同程度經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場技術(shù)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(hù)。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(bǔ)償。設(shè)計(jì)還應(yīng)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(dòng)態(tài)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(diǎn)并及時(shí)調(diào)整環(huán)境條件,，以保持控制器接近最大功率點(diǎn)。動(dòng)態(tài)MPPT用在系統(tǒng)發(fā)生改變的情況下,。由于每個(gè)開關(guān)周期都在發(fā)生變化,，太陽能電池板汲取的功率也會(huì)在每個(gè)周期有明顯的改變。動(dòng)態(tài)MPPT利用太陽能電池板的電壓驟降乘以每個(gè)開關(guān)周期增加的電流,，以確定將要產(chǎn)生的誤差信號(hào)來調(diào)節(jié)占空比,。動(dòng)態(tài)響應(yīng)可檢測IV曲線的斜率，從而建立一個(gè)功率斜坡,，從誤差信號(hào)相交點(diǎn)建立一個(gè)代表占空比的功率,。當(dāng)斜坡變化斜率從正到負(fù)時(shí)該周期結(jié)束，如圖2所示,。

　　圖2：PWM穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的電壓和電流

　　前饋電壓模式控制

　　在傳統(tǒng)電壓模式控制中,，斜坡信號(hào)有一個(gè)固定的上升和下降斜率。反饋信號(hào)僅來自輸出電壓,。因此,，電壓模式控制線路穩(wěn)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(hào)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(gè)伏秒鉗位,，這就限制了輸入電壓和導(dǎo)通時(shí)間的最大乘積值,。電路中的鉗位電路，如正激和反激式轉(zhuǎn)換器可用來防止變壓器飽和,。

　　NCP1294太陽能充電控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)流程

　　當(dāng)選擇太陽能控制器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí),，重要的是要了解轉(zhuǎn)換器的基本操作及其局限性。選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是非反相四開關(guān)非同步降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。轉(zhuǎn)換器利用來自NCP1294的控制信號(hào)運(yùn)行,，Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通為L1充電。四開關(guān)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guān)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　四開關(guān)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(zhuǎn)換器產(chǎn)生輸入電壓脈沖，它經(jīng)過LC濾波來產(chǎn)生一個(gè)較低的直流輸出電壓,。輸出電壓可以通過修改相對(duì)于開關(guān)周期或開關(guān)頻率的導(dǎo)通時(shí)間來改變,。

　　如果輸出電壓可能達(dá)到1％至89％，太陽能控制器即運(yùn)行在降壓模式,。如果由于占空比的限制而無法達(dá)到該輸出電壓,，它會(huì)切換到降壓-升壓模式，此時(shí)即可達(dá)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(gè)電池降壓和升壓模式之間的傳遞比

　　需要注意的是,，當(dāng)轉(zhuǎn)換器模式從降壓到降壓-升壓切換時(shí),，誤差信號(hào)將需要一段時(shí)間來改變占空比。模式的瞬時(shí)變化將使降壓-升壓轉(zhuǎn)換器試圖在89％占空比進(jìn)行切換,，并試圖轉(zhuǎn)換至47%,；這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器試圖在失衡區(qū)（trade over region）輸出130 V的結(jié)果。NCP1294通過脈沖電流限制器提供了一個(gè)脈沖,，可以阻止轉(zhuǎn)換器能量達(dá)到危險(xiǎn)的程度,，在占空比條件下實(shí)現(xiàn)緩和過渡。

　　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

　　要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的電源,，誤差放大器周圍的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須配合PWM發(fā)生器和功率級(jí)使用,。由于功率級(jí)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)應(yīng)用設(shè)置的，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)必須有正確的整體輸出，以確保穩(wěn)定性,。NCP1294是一個(gè)電壓模式電壓前饋器件，因此需要一個(gè)采用輸入電壓修改斜坡的電壓環(huán)路,。功率級(jí)的輸出電感和電容可形成一個(gè)雙極點(diǎn),，環(huán)路必須為此進(jìn)行補(bǔ)償。

　　系統(tǒng)開啟和電池電流消耗

　　正在創(chuàng)建的系統(tǒng)連接了兩個(gè)有限源,，將在一天的不同時(shí)間為負(fù)載供電,，如果是在同一時(shí)間將不會(huì)供電，除了短暫時(shí)間,。該系統(tǒng)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(fù)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(shí),，它不會(huì)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(gè)簡單解決方案是使用低電流消耗比較器,。

　　在白天時(shí)間系統(tǒng)對(duì)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(dāng)長的時(shí)間保持不變,。如果一個(gè)系統(tǒng)的大小不合適，電池可能因放電而損壞,。要防止電池?fù)p壞,，必須用LED電路抑制操作，防止電池耗盡,。

　　輸入和輸出電流的平衡

　　當(dāng)構(gòu)建一個(gè)理想的太陽能控制器時(shí),，控制器應(yīng)保護(hù)電池或負(fù)載，同時(shí)從太陽能電池板提取最大的能量,。不幸的是,，在現(xiàn)實(shí)世界中顧客或安裝人員可能會(huì)購買一個(gè)大型太陽能電池板和一個(gè)小電池。如果太陽能控制器是在峰值功率下充電,，電池充電速度過快,，會(huì)縮短電池壽命或可能發(fā)生爆炸。控制器應(yīng)該做的是管理電池需求,，根據(jù)太陽能電池板提供的峰值功率來平衡充電速度,。因此，最大電池充電速率的設(shè)定和選擇方案是需要確定如何限制系統(tǒng)的輸出電流,。電流的設(shè)定是通過NCP1294所提供3.3V基準(zhǔn)和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)完成的,。短接一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)接口（header）將實(shí)現(xiàn)不同的電流限制值。

　　反極性保護(hù)

　　除了正常的太陽能電池板瞬態(tài),，還有四種不同的輸入輸出連接可能性,。第一種情況，輸入和輸出連接正確,，無需保護(hù),。第二種情況，輸入電壓反向連接,。如果在這種情況下允許電流流過,，那么所有輸出二極管都可能損壞。

　　不過,，在圖5所示B或C的輸入端串聯(lián)一個(gè)二極管就可以保護(hù)所有器件,。串聯(lián)二極管的一個(gè)缺點(diǎn)是，它會(huì)連續(xù)耗散系統(tǒng)功率,。如果反向極性保護(hù)二極管放在高電流系統(tǒng)中,，損耗可能會(huì)很大。實(shí)施反極性保護(hù)的另一種方法是放置一個(gè)二極管,，例如,，當(dāng)施加反向電壓時(shí)它會(huì)使保險(xiǎn)絲開路，如圖5 D所示,。選擇的保險(xiǎn)絲可以是一個(gè)用戶可更換或波利熱熔斷器,。保險(xiǎn)絲可以提供必要的保護(hù)，但可能導(dǎo)致不太好的用戶體驗(yàn),。實(shí)現(xiàn)二極管反向極性保護(hù)的低損耗方式是使用MOSFET,，當(dāng)施加的電壓極性正確時(shí)MOSFET導(dǎo)通，而在電壓極性不正確時(shí)關(guān)閉,。圖5 E所示,。

　　圖5：反極性的輸入端連接

　　在第三種情況下，輸出是反極性連接,，輸入是正確連接,，功率元件可能會(huì)損壞。由于源假定為鉛酸電池,，保護(hù)至關(guān)重要,，因?yàn)閾p壞的元件可能消耗大量的能量,。圖5 B顯示了防止反向輸出電壓的方法之一。

　　最后一種情況是輸入和輸出的連接都不正確,。在這種情況下,，如果設(shè)計(jì)人員實(shí)施了第二和第三種保護(hù)，輸入和輸出都將受到保護(hù),。設(shè)計(jì)人員不應(yīng)忽略電壓抑制器,，它安裝在瞬態(tài)電壓的輸入端，其極性可能正確或不正確,。因此，重要的是要有雙向瞬態(tài)抑制器,，能夠承受正常反極性電壓而不會(huì)損壞,。

　　電池充電

　　鉛酸電池充電有三個(gè)階段：恒流充電或大電流充電、吸收或恒壓模式,，以及浮充電,。在大電流充電期間，電流保持恒定,，這是由NCP1294脈沖電流限制和電流設(shè)置電路的脈沖完成的,。除非最大功率點(diǎn)低于這個(gè)水平，電流都將保持在設(shè)計(jì)人員或用戶設(shè)定的充電速率,，此時(shí)將充電到最大功率點(diǎn)調(diào)整率,。

　　OOV比較器

　　NCP1294配備了一個(gè)OOV比較器，可以監(jiān)測輸出電池電壓,，以確定是否反饋機(jī)制已損壞,，或遠(yuǎn)程檢測受到超過電池溫度補(bǔ)償?shù)碾姵仉妷旱挠绊憽．?dāng)斷開OOV時(shí)系統(tǒng)關(guān)閉,。比較器可用在系統(tǒng)輸入或系統(tǒng)輸出,，但推薦用作輸出的故障安全機(jī)制。當(dāng)使用單電池系統(tǒng)時(shí),，可以使用18V的觸發(fā)點(diǎn)（trip point）或基于充電狀態(tài)設(shè)置觸發(fā)點(diǎn),。如果使用浮動(dòng)電壓狀態(tài)，需要設(shè)置15 V為觸發(fā)電壓,。

　　OUV功能

　　NCP1294的欠壓鎖定功能（OUV）功能可監(jiān)測轉(zhuǎn)換器的輸入電壓,，以確定是否輸入電壓水平會(huì)導(dǎo)致熱問題。OUV可以獨(dú)立監(jiān)測輸入電壓,，以確保輸入電壓在理想水平,，從而提供最大輸出功率。

　　OTP功能

　　由于太陽能控制器可能以不恰當(dāng)?shù)姆绞绞褂?，建議對(duì)降壓主開關(guān)的溫度進(jìn)行監(jiān)測,，以確定它是否超過了最高溫度水平。如果主MOSFET的溫度已超過了適當(dāng)?shù)乃剑^溫保護(hù)（OTP）可以抑制電流以減少系統(tǒng)功耗,。

　　熱管理

　　NCP1294是一個(gè)低功耗器件,。一旦確定了IC功耗，設(shè)計(jì)人員可以計(jì)算出所需的熱阻抗,，以保持最差環(huán)境溫度下指定的結(jié)溫,。太陽能控制器的熱性能受PCB布局影響很大。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)格外小心,，以確保IC和電源開關(guān)在建議的環(huán)境條件下工作,。任何電源設(shè)計(jì)都應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)室測試，以確保在最差工作條件下設(shè)計(jì)所需的功耗,。在測試過程中考慮的變量應(yīng)包括最高環(huán)境溫度,、最小氣流、最大輸入電壓,、最大負(fù)載和元件變化（即最差情況下MOSFET的RDSON）,。

　　太陽能電池板

　　NCP1294評(píng)估板支持的太陽能電池板在5 W和120 W之間。這里考慮的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)類型的太陽能電池板,。最常見類型的太陽能電池是晶體硅,，它有兩種主要類型：單晶硅和多晶硅。單晶硅能效最高,，但生產(chǎn)也比較昂貴,，通常僅限于商業(yè)和住宅應(yīng)用。非晶太陽能電池板由涂覆在不銹鋼或類似材料上的熔融硅薄膜構(gòu)成,。晶體結(jié)構(gòu)非常脆弱,，通常夾在兩片玻璃之間，以利于保護(hù),。單晶硅的效率為18％,，多晶硅為15％，非晶態(tài)為10％,。

　　圖6：太陽能控制器電路板

　　利用這個(gè)功能豐富而靈活的解決方案,，工程師可以根據(jù)不同太陽能電池板的要求開發(fā)出適用的產(chǎn)品，讓最終用戶享用到先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)帶來的便利和更好的使用體驗(yàn),。