安森美NCP1294太阳能充电控制器及其设计要点

        众所周知，太阳能电池板有一个IV曲线，它表示该太阳能电池板的输出性能，分别代表着电流电压数值。两条线的交叉点表示的电压电流就是这块太阳能电池板的功率。不利的是，IV曲线会随辐照度、温度和使用年限而变化。辐照度是给定表面辐射事件的密度，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特数表示。如果太阳能电池板没有机械式阳光追踪能力，一年中辐照度会随着太阳的移动变化约±23度。此外，每天从地平线到地平线太阳移动的辐照度变化，可导致输出功率在一整天的变化。为此，安森美半导体开发了一款太阳能电池控制器NCP1294，用来实现太阳能电池板的最大峰值功率点跟踪（MPPT），以最高能效为蓄电池充电。本文将介绍该器件的一些主要功能和应用时需要注意的问题。

增强型电压模式PWM控制器

        NCP1294是一款固定频率电压模式PWM前馈控制器，包含电压模式运作所需的所有基本功能。作为支持降压、升压、降压-升压及反激等不同拓扑结构的充电控制器，NCP1294针对高频初级端控制操作进行了优化，具有逐脉冲限流及双向同步功能，支持功率最高达140 W的太阳能板。这款器件提供的MPPT功能能够定位最大功率点，并实时根据环境条件来调节，使控制器保持接近最大功率点，从而从太阳能板析取最大的电量，提供最佳的能效。

        此外，NCP1294还具有软启动、精确控制占空比限制、低于50 μA的启动电流、过压和欠压保护等功能。在太阳能应用中，NCP1294可以作为一种灵活的解决方案，用在模块级电源管理（MLPM）解决方案。基于NCP1294的参考设计最大功率点追踪误差小于5%，可以为串联或并联的四个电池充电。图1是NCP1294 120 W太阳能控制器框图。
 

图1：安森美半导体的NCP1294 120 W太阳能控制器框图

        如图1所示，该系统的核心是功率段，它必须承受12 V至60 V的输入电压，并产生12 V至36 V的输出。由于输入电压范围覆盖了所需的输出电压，必须有一个降压-升压拓扑结构来支持应用。设计人员可以选择多种拓扑结构：SEPIC、非反相降压-升压。反激式、单开关正激、双开关正激、半桥、全桥或其他拓扑结构。

        设计工作包括根据功率需求的增加隔离拓扑结构。电池充电状态的管理是由适当的充电算法完成的。太阳能电池板安装技师可以选择输出电压和电池充电速率。由于控制器要连接到太阳能电池板，它必须具有最大功率点跟踪，为最终客户提供高价值。控制器有两个正使能(Enable)电路，一个电路检测黑夜时间，另一个检测电池的充电状态，使外部电路不会使电池对损坏点放电。由于控制器将由不同程度经验的现场技术人员和新手安装，因此重要的是输入和输出必须有反向极性保护。另外，控制器和电池可能安装在过热或过冷的位置，控制器必须采用电池充电温度补偿。设计还应包括安全功能，如电池过压检测和太阳能电池板欠压检测。

动态MPPT工作原理

        为了从功率可变的电源(即太阳能电池板)析取出最大的功率，太阳能控制器必须采用MPPT。MPPT必须首先找到最大功率点并及时调整环境条件，以保持控制器接近最大功率点。动态MPPT用在系统发生改变的情况下。由于每个开关周期都在发生变化，太阳能电池板汲取的功率也会在每个周期有明显的改变。动态MPPT利用太阳能电池板的电压骤降乘以每个开关周期增加的电流，以确定将要产生的误差信号来调节占空比。动态响应可检测IV曲线的斜率，从而建立一个功率斜坡，从误差信号相交点建立一个代表占空比的功率。当斜坡变化斜率从正到负时该周期结束，如图2所示。
 

图2：PWM稳压转换器的电压和电流

前馈电压模式控制

        在传统电压模式控制中，斜坡信号有一个固定的上升和下降斜率。反馈信号仅来自输出电压。因此，电压模式控制线路稳压效果较差，且具有音频易感性。前馈电压模式控制源于斜坡信号输入线路。因此，斜坡的斜率随输入电压而变化。前馈功能也可以提供一个伏秒钳位，这就限制了输入电压和导通时间的最大乘积值。电路中的钳位电路，如正激和反激式转换器可用来防止变压器饱和。

NCP1294太阳能充电控制器应用设计流程

        当选择太阳能控制器拓扑结构时，重要的是要了解转换器的基本操作及其局限性。选择的拓扑结构是非反相四开关非同步降压-升压拓扑结构。转换器利用来自NCP1294的控制信号运行，Q1和Q2同时导通为L1充电。四开关降压-升压拓扑结构如图3所示，其中的电感器用来控制电压和电流。

 
图3：四开关降压-升压拓扑结构