工程师的太阳能电池板电池充电器设计全过程

"你不记得去年天气有多热吗?"Dev 提醒我。"我们需要一些使我们凉爽的东西。喷雾系统会让我们感到凉快。喷水可以使温度降低 10 度!"Doug 突然大声说道。这就是我们为准备参加 2009 年 Burning Man 活动而碰头儿时开始的一幕。我和 3 个朋友有了 2008 年令人惊喜的体验，决定再次到那个严酷的沙漠环境走一遭。我们誓言要把生活条件弄得比上次好，因此早早开始筹划，以确保我们在黑岩城沙漠能舒服一些，这片沙漠在美国内华达州里诺市北 100 英里的地方。

我们渴望舒服一点的条件是，一个基于水雾系统而让人凉快的解决方案，以克服困扰这片沙漠的干热空气。这可以用一台由电压源供电、连着一个带喷嘴的喷雾水龙带的水泵实现。喷雾系统的成功要素是电源，这个电源也可以用来给 LED 灯供电，以供夜间照明，或者给其它需要电源的外部设备充电。我们的计划是，用太阳能电池板给一个海上用的深周期电池充电，然后用这块电池给其它所有东西供电。随即，我开始了太阳能电池板电池充电器的设计。

我有 3 周时间完成设计。我向朋友 Simon 请求帮助，Simon 以前用凌力尔特公司的 IC 搞过太阳能供电设计。除了一台显示工作原理的样机，Simon 还给了我一份原理图，这台样机从未连上太阳能电池板测试过，但在实验室做过仿真。我很兴奋，有兴趣用真实的太阳能电池板测试这个设计，我们准备对样机进行像样的测试。

一位朋友借给我两块 BP 太阳能电池板 (BP380U)。在大约 20V 最高输出电压和 4A 最大输出电流时，每块电池板的峰值功率都是 80W (实际规格为，在 80W 最大功率时，电压为 17.6V,电流为 4.55A)。把这两块太阳能电池板合起来，我希望在太阳光直接直射在电池板上时，在峰值条件下能有 8A 的总电流。太阳能电池板连接到 Simon 的样机上没有几分钟，系统就充分运转了 (图 1 和图 2)。通过对样机的初步测试，查明了几个故障，后来这给我们节省了大量时间。

图 1:测试 BP 太阳能电池板， BP380U (0 至 20V 输出，4A 峰值功率 80W)

图 2:最初的太阳能充电电路样机，采用 12V 海上用深周期电池 .

样机运行良好，因此我购买了几块凌力尔特公司的演示板，并稍作修改以使其更适合重新设计过的系统规格要求。我保持样机作为备份和参考，同时我设计了一个新系统。我们解决了一些故障后，通过这些修改改善了原来的样机。总之，架构设计仍然是相同的：用 0 至 20V 的太阳能电池板，以 4A 的恒定电流给一个 12V 的电池充电。

太阳能电池充电器系统设计

用这些演示板忙活几天之后，我成功地完成了一个产生预期效果的设计，这设计将适合我们这次旅程。系统的方框图如图 3 所示，该图显示了一些 IC 和演示板功能。系统的照片如图 4 所示，显示了完整的太阳能电池板电池充电器单元。

图 3:系统设计方框图

图 4:最终的太阳能充电器电路

视太阳的位置不同而不同，太阳能电池板最初的输出电压在 0V 到 20V 之间变化，那么就用一个能接受这么宽输出范围的稳压器，并保持吸取低的电流 (每个电池板上的输入电流最大值都是 4A)，同时调节一个固定的输出电压。这是在 DC1198A-B 演示板上用凌力尔特公司的微型模块 (μModule) DC/DC 降压-升压型开关稳压器 LTM4607 实现的。

LTM4607 是一个小型 LGA 封装 (15mm x 15mm x 2.8mm) 的芯片，其中包括一个复杂的降压-升压型 DC/DC 开关稳压器所需的所有支持控制组件。复杂的开关控制电路和 FET 内置到微型模块稳压器中，从而使该器件非常容易使用。结果是仅需一个微型模块稳压器、电感器以及几个电容器和电阻器就完成简洁规则的布局。4.5V 至 36V 的宽输入电压范围至固定 20V 输出 (范围为 0.8V 至 24V) 对于太阳能电池板的特性 (0 至 20V 输出) 正合适，而且该器件能加载高达 5A 的升压模式和 10A 的降压模式。在太阳能电池板峰值功率时，20V 输入至 20V/2.5A 输出的效率是 91%,而且积极利用了降压-升压型宽范围输入的好处。就这个系统设计的目的而言，输出调节到 20V,用这个输出给 LTC1435/LT1620 高效率、低压差电池充电器系统供电。

在 14V 稳定电压时，LTC1435/LT1620 演示板 (DC133A) 将充电电流控制到稳定的 4A.该演示板与 LT1620 数据表第一页上的应用电路类似，我将 FB 电阻器 (110k) 换成一个可变电位器，以实现输出电压调节，并将电池浮置电压设置到 14V.该演示板设计利用 LT1620 轨至轨电流检测放大器，结合 LTC1435 开关稳压器电路的高效率和低压差能力，形成了一个效率超过 95% 的电池充电器，从而在 4A 充电电流时仅需要 0.5V 输入至输出电压差。