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用于脉冲负载应用的太阳能电池板MPPT

介绍

许多太阳能电池板供电的应用只需要功率脉冲来操作。用于数据采集或测量采样的系统通常需要打开,执行测量或其他任务,传送处理或测量的数据,然后返回到睡眠状态。在许多情况下,无线传输数据消耗的输出功率的最大部分。对于系统本身或者用于传输数据的这些所需的功率脉冲通常难以用诸如太阳能电池板的功率受限的电源来支持。通过在太阳能电池板的最大功率点(MPP)上运行并通过从面板上智能地提取功率,可以成功利用能量为脉冲负载供电。本文介绍了一种简单而经济的解决方案,用于这种脉冲负载系统中的最大功率点跟踪(MPPT)。

太阳能电池板的特点

太阳能电池板在MPP运行时提供峰值输出功率。MPP是对应于面板的最高可获得的输出功率的电压和电流。即使光照量变化,MPPT也可利用太阳能电池板供电。太阳能电池板的一个特点是面板电压随着从面板流出的电流的增加而降低。如果电流过高,则电压崩溃,功耗量变得非常低。图1示出了特定太阳能电池板的输出电流和输出功率与其输出电压的关系。MPP被标记。图中水平的绿线表示输出功率至少为MPP的90%。在这条线上方,点1和2之间,面板提供最大的功率。
当太阳能电池板供电的负载只需要功率脉冲,并且不需要在100%的时间内通电时,在MPP的90%内操作的一种简单方法是在点1处开启负载并将其关闭在第二点。当负载开启时,它吸取所需的功率,这降低了面板的电压。这将操作点从点1移动到MPP点,然后移到点2.在点2,负载关闭,面板电压再次升高。即使是这样简单的操作,仍然有三个问题需要克服。
首先,负载可能需要与面板输出不同的电压。因此,需要高效率的电源将可变且相对较高的面板电压转换成用于负载的恒定电压。
太阳能电池板的MPP的图表
图1:太阳能电池板的MPP图
其次,应测量面板电压,并根据该电压禁用或启用电源。大多数电源都有一个数字输入来启用或禁用它们。这样的输入具有非常不精确的阈值,以将逻辑低与逻辑高区分开。在阈值不精确的情况下,面板电压不能直接连接到使能输入。相反,需要具有精确阈值的外部电路。可以使用电源电压监控器,但这增加了第二个设备的成本和复杂性。
第三,快速变化的面板电压必须大大减缓,以便有足够的操作时间来完成所需的任务。从点1到点2改变面板电压几乎不需要时间在理论上零秒。在此期间,当电压从点1到点2变化时,负载的电源必须打开,负载必须执行其任务。这要求电源具有非常快速的开启和足够长的面板电压保持时间以执行必要的任务。

MPPT解决方案

有很少的单一设备,成本效益的解决方案,从功率受限的太阳能电池板输入的宽电压范围内运行,同时有效地提供稳定的输出电压,快速启动,并在90%的MPP内运行。然而,德州仪器TI)的TPS62125则是一种可接受高达17 V的输入电压,工作效率超过90%,启动时间小于1 ms,并具有精确阈值的启用输入引脚的器件直接连接到MPPT太阳能电池板的电压。这消除了另外的设备执行这个功能的需要。图2显示了完整的解决方案。
MPPT电路用于脉冲负载
图2:脉冲负载的MPPT电路
由R1和R2组成的分压器被配置为打开图1中的点1的电源。直到电源被使能,器件本身将R2和R3之间的节点保持在地电位。电源启动后,器件释放该节点,R3成为分压器的一部分。当太阳能电池板电压降至点2时,器件关断,再次将R2和R3之间的节点保持在低电平。此时,面板电压再次开始上升,直到达到导通阈值。这提供了一个完全可编程的开启和关闭电压,可配置到任何太阳能电池板。
大容量输入电容器C3储存来自太阳能电池板的足够的能量以在所需持续时间内为负载供电,并提供用于启动电源的充电。面板将对应于其电压的电流输送到电源或C3。当电源关闭时,太阳能电池板将电流传送到电容器。当电源开启时,电容器和太阳能电池板提供必要的电流给负载供电。由于C3仅仅储存能量,并且这个能量在相当长的一段时间内释放,所以C3可以是一个低成本的电解电容器。

计算所需的体积输入电容

设计MPPT电路的第一步是确定负载的功率需求,然后根据这些功率需求和所选的太阳能电池板计算所需的大容量输入电容量。例如,假定遥感电路在250毫安(825毫瓦)下需要3.3伏,持续时间为15毫秒。这些是包含测量设备,微处理器和RF发射器的系统的典型需求。
在确定负载的功率需求之后,计算C3所需的值。首先,从公式1中找到驱动负载所需的输入电流:
等式1V IN是图1中点1和点2之间的平均太阳能板电压,η是给定输出功率下的电源效率。请注意,V IN约为7.8 V,输出功率为825 mW 时,电源的典型效率约为87%。使用这些数字,I IN = 122毫安。这比图1所示的太阳能电池板能够提供的要大得多,所以C3必须存储足够的能量以提供剩余电流15ms。公式2根据负载要求和太阳能电池板特性确定所需的C3值:
等式2V P1和V P2是点1和点2处的电压,对于该面板而言分别为约9V和6.5V,并且对应于C3放电时的电压变化。由t ON给出的所需的负载操作时间是15ms。最后,我Panel(平均)是当面板在MPP的90%以内运行时,太阳能电池板的平均电流。如图1所示,这个电流约为19 mA。
从等式2可以确定C3应该大于618μF。一个680μF的电容器用于在运行时间内提供一定的余量。

计算使能引脚的分压器

R1,R2和R3形成一个完全可配置的分压器,使能(EN)引脚具有滞后。等式3和4用于设置电阻值:
等式3

等式4首先选择R1,1MΩ是一个好的起始值。以此计算,R2被计算为153.8kΩ。选择最接近的154kΩ标准值。R3应该是60.9kΩ,60.4kΩ是最接近的标准值。

额外的MPPT电路配置

另一个可以配置为使典型应用受益的特性是使用电源良好(PG)输出来控制负载使能(EN)输入。电源关闭时,PG引脚保持低电平。上拉电阻R6将其拉高,但只有在电源使能且输出电压稳定时。将PG输出直接连接到负载的EN输入,可保持禁用负载,直到输入电压升至V P1以上,直到输出电压足够高以正确地为负载供电。由于输入电压低于V P2,电源被禁止,PG引脚被主动拉低,这也禁用负载。这种配置确保只有在电源电压稳定时才能使能负载,避免可能会损坏负载性能或数据的低电源电压。
在MPP的90%以内运行MPPT电路
图3:在MPP的90%以内MPPT电路的操作

检测结果

图3显示了正在运行的MPPT电路。面板电压V IN保持在9 V和6.5 V之间(分别为V P1和V P2)。一旦V OUT进入稳压状态,负载启用并消耗250 mA。当面板电压下降到6.5 V时,V OUT被禁止,从而禁止负载电流。太阳能电池板始终提供19 mA的平均电流。图3中的负载运行时间约为18 ms,满足15 ms的要求。这个运行时间大致与计算结果相匹配,因为C3的值超出了这些计算的结果。
图4替换了图3中的输出电压走线,I Cap的走线,C3的电流。随着V IN减小,离开电容器的电流是正的 - 电容器将其存储的能量提供给电源,电源然后将该能量提供给负载。一旦负载关闭,由于面板电压降至6.5 V,电源禁用,C3的电流变为负值 - 电容器从面板再充电,为下一个周期储存能量。当电池板电压足够高时,由于电源接通,因此在负载使能之前,来自C3的电流短暂尖峰。启动期间,需要由C3提供额外的输入电流。
大容量输入电容(C3)提供工作在MPP 90%以内的电路
图4:提供工作在MPP 90%以内的电路的大容量输入电容器(C3)

结论

本文展示了一种简单而经济的电路,用于追踪脉冲负载系统的太阳能电池板MPP,例如通过RF发射器传输其数据的远程测量系统。这种拓扑也可以配置为任何太阳能电池板和任何脉冲负载。

(责任编辑:ioter)

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