一款简单且低成本的太阳能电池板最大功率点追踪电路
一款简单且低成本的太阳能电池板最大功率点追踪电路
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& & &前 言
& & 许多太阳能电池板供电型应用只需功率脉冲便可运行。我们需要频繁地开启数据收集或者测量采样系统，执行测量或者其他任务，发送经过处理或者测量的数据，然后再回到睡眠模式。在许多情况下，以无线方式发送这些数据消耗掉了大部分输出功率。如太阳能电池板等小功率电源，通常难以支持系统本身或者数据发送所需的这些功率脉冲。通过让太阳能电池板工作
& & &前 言
& & 许多太阳能电池板供电型应用只需功率脉冲便可运行。我们需要频繁地开启数据收集或者测量采样系统，执行测量或者其他任务，发送经过处理或者测量的数据，然后再回到睡眠模式。在许多情况下，以无线方式发送这些数据消耗掉了大部分输出功率。如太阳能电池板等小功率电源，通常难以支持系统本身或者数据发送所需的这些功率脉冲。通过让太阳能电池板工作在最大功率点 (MPP)，并且智能地从电池板获取功率，以实现对电能的管理，从而顺利地驱动脉冲负载。本文将为您介绍一种简单且高成本效益的最大功率点追踪 (MPPT) 解决方案，以供这类脉冲负载系统使用。
& & 太阳能电池板特性
& & 在最大功率点工作时，太阳能电池板可提供峰值输出功率。最大功率点是一个与电池板最高可达输出功率相对应的电压和电流。在光照水平不断变化的情况下，最大功率点追踪方法对来自太阳能电池板的功率进行管理。太阳能电池板的一个特性是，电池板电压随电池板输出电流增加而下降。如果输出电流过高，则电池板电压崩溃，并且输出功率变得非常低。图 1 描述了特定太阳能电池板输出电流及输出功率与其输出电压之间的比较情况。最大功率点已被标示出来。图中，一条水平绿线条表明输出功率至少为 90% 最大功率点时的位置。该线条以上，在&点 1&和&点 2&之间时，电池板输出功率最大。
图 1 太阳能电池板最大功率点图
& & 当太阳能电池板供电型负载仅要求功率脉冲并且不需要全时段供电时，让其工作在 90% 最大功率点以下的一种简单方法是，在&点 1&开启负载，而在&功率点 2&关闭负载。当负载开启时，其获得要求的功率，从而使电池板电压下降。这样，工作点便从&点 1&开始移动，经过最大功率点，最终超过&点 2&。在&点 2&时，负载关闭，电池板电压再次上升。即使是这种简单的操作，我们也必须解决 3 个问题。
& & 首先，相比电池板输出，负载可能会要求不同的电压。因此，我们需要使用一种高效的电源，以将不稳定且相对较高的电池板电压转换为负载可用的恒定电压。
& & 其次，我们需要测量电池板电压，并且根据该电压来关闭或者开启电源。大多数电源都利用一个数字输入来实现开启或者关闭功能。这种输入有一个大概的阈值，以区分逻辑低电平和逻辑高电平。使用这种非精确阈值时，电池板电压便无法直接到达开启状态的输入端。因此，我们需要使用一种具有精确阈值的外部电路。我们可以使用电源电压监测器，但添加器件会带来成本和复杂度的增加。
& & 最后，必须让快速变化的电池板电压慢下来，以便获得充足的工作时间，完成规定的任务。电池板电压从&点1&变到&点2&几乎无需时间&&理论上为零秒。这时，当电压从&点1&变到&点2&时，必须开启负载电源，而负载必须完成其任务。这就要求电源拥有非常快速的开启能力，并且能够长时间保持电池板电压，以便完成需要执行的任务。
& & 最大功率点追踪解决方案
& & 我们很难找到一款单器件、低成本的解决方案。它需要使用宽电压范围的功率受限型太阳能电池板输入，同时还要能够高效地提供稳定的输出电压、快速的启动，并且能够在 90% 最大功率点以下工作。TI TPS62125 就是一个这类器件，它可以接受高达 17V 的输入电压，拥有 90% 以上的工作效率，启动时间小于 1 ms，并且拥有一个使用精确阈值的开启输入引脚，其可以直接连接至太阳能电池板电压，以实现最大功率点追踪。这样，便无需添加额外器件来实现这种功能。图 2 显示了一套完整的解决方案。
图 2 脉冲负载的最大功率点追踪电路
& & 由 R1 和 R2 组成的分压器，用于在图 1 所示&点1&时开启电源。在电源开启以前，该器件本身会把 R2 和 R3 之间的这个节点一直保持在地电位。电源开启以后，器件释放该节点，R3便为分压器的组成部分。当太阳能电池板电压降至&点2&时，器件关闭节点，并再次保持 R2 和 R3 之间节点的低电压。这时，电池板电压再次开始上升，直到其达到开启阈值为止。这样便实现一种完全可编程的开启和关闭电压，其可用于任何太阳能电池板。
& & 大容量输入电容 C3 存储来自太阳能电池板的能量，以在规定时间为负载提供功率，并且为电源启动供电。电池板向电源或者 C3 提供与其电压相对应的电流。当电源处于关闭状态时，太阳能电池板向电容提供电流。当电源开启时，电容和太阳能电池板为负载提供所需电流。由于 C3 只是存储能量，然后在相对较长的一段时间内释放存储的能量，就此而言 C3 不失为一款低成本的电解质电容。
& & 所需大容量输入电容计算方法
& & 最大功率点追踪电路设计的第一步是，确定负载的功率需求，然后根据功率要求和所选用的太阳能电池板，计算出所需大容量输入电容的大小。例如，假设一个遥感电路要求 250mA 电流下电压为 3.3V(825 mW)，且供电时间为 15 ms。对于包含有测量器件、微处理器和 RF 发射器的系统而言，这是一种基本需求。
& & 在确定负载的功率需求以后，我们需要计算出 C3 的要求值。首先，为负载供电所需的输入电流可以通过方程式 1 计算得到：
& & VIN为图1所示&点1&和&点2&之间的平均太阳能电池板电压，而&为给定输出功率的电源效率。请注意，VIN 约为 7.8V 且输出功率为 825mW 时，电源效率一般为 87% 左右。利用这些数值，可以计算得到 IIN=122mA，远大于图 1 所示太阳能电池板的输出能力，因此 C3 必须存储足够的能量，以提供缺少的那部分电流，并且持续时间为 15 ms。方程式 2 根据负载要求和太阳能电池板特性，计算出要求的 C3 值：
& & VP1和VP2为&点1&和&点2&之间的电压，使用这种太阳能电池板时，它们分别约为 9V 和 6.5V，其与放电时 C3 的电压变化相对应。tON 时的要求负载工作时间为 15ms。最后，Ipanel(Avg) 为电池板工作在其 90% 最大功率点以下时，太阳能电池板所提供的平均电流。如图 1 所示，该电流约为 19mA。
& & 由方程式 2，我们可以知道 C3 应大于 618 &mICF。使用 680-&F 电容，可以在器件工作时提供一定的裕量。
& & 开启引脚分压器计算
& & R1、R2 和 R3 共同形成了一个具有开启 (EN) 引脚磁滞的完全可配置分压器。方程式 3 和 4 用于设置电阻器值：
& & 我们首先选择 R1，而 1 M&O 是一个较为合适的起始值。这样，通过计算，可以得到 R2 为 153.8 k&O。我们选择最接近标准值 154 k&O。R3 应为 60.9 k&O，而60.4 k&O 是最接近标准值。
& & 其他最大功率点追踪电路配置
& & 可使典型应用受益的另一种可配置特性是，利用电源良好 (PG) 输出来控制负载的开启 (EN) 输入。当电源关闭时，PG 引脚保持低电平。仅当电源开启且输出电压在调节状态下时，上拉电阻器 R6 将其拉高。把 PG 输出直接连接至负载EN输入，可使负载保持关闭，直到输入电压升至 VP1 以上且输出电压高到足以正常驱动负载为此。由于输入电压降至 VP2 时电源关闭，因此 PG 引脚被有源拉低，从而又让负载关闭。这种配置，可以保证仅在其电源电压处于调节状态下时才开启负载，从而避免出现可能会破坏负载性能或者数据的低电源电压。
& & 测试结果
& & 图 3 显示了运行中的最大功率点追踪电路。电池板电压 VIN 保持在 9V 和 6.5V(分别为 VP1 和 VP2)之间。一旦 VOUT 进入调节状态，负载开启，并且获取 250mA 电流。当电池板电压降至 6.5V 时，VOUT 关闭，并从而关闭负载电流。太阳能电池板始终提供19mA的平均电流。图 3 中，负载拥有约 18ms 的运行时间，可以满足 15ms 要求。该运行时间并未与上述计算结果完全一致，而 C3 值有所增加，超出了计算结果。
图 3 90% 最大功率点以下工作的最大功率点追踪电路
& & 图 4 用来自 C3 的电流 ICap 的轨迹线，代替图 3 所示输出电压轨迹线。VIN下降时，来自电容的电流为正&电容向电源提供其存储能量，之后负载获得该能量。一旦负载关闭，由于电池板电压降至 6.5V，并且电源关闭，C3 提供的电流变为负&电容通过电池板再充电，为下一个周期存储能量。电池板电压足够高的情况下，当电源开启时，来自 C3 的电流在负载开启以前出现短暂尖峰。启动期间，需要 C3 提供更多的输入电流。
图 4 90% 最大功率点以下工作的电路的大容量输入电容 (C3)
& & 本文论述了一款简单且低成本的太阳能电池板最大功率点追踪电路，其适用于脉冲负载系统，例如：通过 RF 发射器发送数据的遥测系统。另外，我们还可以对这种拓扑结构进行相应配置，用于任何太阳能电池板和脉冲负载系统。
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&&& 目前，处理器性能的主要衡量指标是时钟频率。绝大多数的集成电路 （IC） 设计都基于同一个简易的太阳能热水器，它的主要部分是一个敞口水箱，水箱内水深0.5m，水的质量为200kg。在阳光照射下，水的温度从20℃上升到35℃。水的比热容是4.2×103J/（kg·℃），水的密度是1.0×103kg/m3，煤的热值是3.0×107J/kg，g取10N/kg。试求：（1）水对水箱底的压强是多大？（2）水吸收的热量是多少？（3）这些热量相当于完全燃烧多少千克煤所放出的热量？
（1）5×103pa
（2）1.26×107J
（3）0.42kg
试题分析：（1）水对水箱底的压强是P=ρgh=1.0×103kg/m3×10N/kg×0.5m=5×103pa（2）水吸收的热量是Q吸=cm（t1-t0）=4.2×103J/（kg·℃×200kg(35℃-20℃)=1.26×107J(3)由Q吸=Q放=qm得吸=cm（t1-t0）、Q吸=qm应用。
试题“一个简易的太阳能热水器，它的主要部分是一个敞口水箱...”；主要考察你对
等知识点的理解。
某太阳能热水器内装有100kg的水，经过一天太阳的照射，水箱内水的温度从20℃升高到70℃,则水箱内的水至少吸收了多少热量？[水的比热容是4.2×103J/(kg·℃)]
由于太阳能具有安全、清洁、方便等特点，使得人们越来越广泛地使用它．已知某太阳能热水器的水箱受太阳热辐射8.4×107 J，如果这些热量的50%被箱内200 L的水吸收，可使这些水的温度升高多少？
太阳能热水器（如图）具有安全、节能、经济和环保等优点。请问：（1）太阳能热水器在工作时其能量如何转化？（2）若该热水器的水箱内装有160kg水，经阳光照射后，水温由20℃升高到70℃，水吸收的热量是多少焦？[水的比热容是4.2×103J/（kg·℃）]
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请教大家一个简单的问题太阳能板的电压和电流的问题
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我买了两块板子5V30MA的，我想做一个电路把电流变大，想了半天也不知道怎么做。对于各位高手来说小菜一碟。我想给儿子的玩具车弄个太阳能的/谢谢大家了
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太阳能电源的最大电流就那么大，放大不了。
要不就降低电压，电流才可能变大
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电机是3.5V电机，电流不知道多大
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太阳能电源的最大电流就那么大，放大不了。
要不就降低电压，电流才可能变大 ...
电机是3V的，我今天把电池板直接连在电机上不能启动，只是想让太阳能板直接供电能动就行。加电容可以，怎么加，加多大的？
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本帖最后由 dirtwillfly 于
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电机是3V的，我今天把电池板直接连在电机上不能启动，只是想让太阳能板直接供电能动就行。加电容可以，怎 ...
你要先确认下你的电机的工作电流和电压，以及驱动方式。
然后再设计驱动电路。
你可以找一个5v转3v的电路试试，不要用ldo
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太阳能串并联方式决定了电流就那么大。。
向往不断折腾的人生～
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直接带是带不动电机的
搞节磷酸铁锂电池 再搞个充电IC 设好充电电流 然后接太阳能板
这才是可行的方案
没电了晒晒太阳就可以了
想，壮志凌云；干，脚踏实地
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玩具车的电机...电流至少200mA....3v的话==0.6W
太阳能电池的电压5V 30mA==0.15W
能量不够的吧...肯定动不了啦...我这样说对不对?各位前辈
玩具车的电机放地上走的话...负载会更大..需要更大能能量才能带得动
====jjjyufan的方法比较可行
用太阳能板充电到锂电池里..然后再用锂电池给车供电.
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直接带是带不动电机的
搞节磷酸铁锂电池 再搞个充电IC 设好充电电流 然后接太阳能板
这才是可行的方案
充电IC不会，我拆了一个手机充电宝的板子，不会弄，今天把两个板子串到一起电机倒是能用了，还有一块更小的板子带的手机的震动马达倒是还能带起来，不知道给他做什么玩呢
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玩具车的电机...电流至少200mA....3v的话==0.6W
太阳能电池的电压5V 30mA==0.15W
能量不够的吧...肯定动不 ...
买板子的跟我说是7W板子，另外我今天怎么测不出来板子电流了
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中午太阳直晒太阳能电池板，测短路电流。
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18650电芯串接几个，加短路过充过放放保护电路。选一款充电管理IC，比如国内的好像叫CN3722（印象），然后降压供电你的负载电路~ 仅供参考
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太阳能的板子测开路电压和短路电流，在阳光最好的情况下。然后充电IC就是调整功率，追踪太阳能最大功率点的和充电截止电压之类的~
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中午太阳直晒太阳能电池板，测短路电流。
郁闷，换不同的档短路电流怎么都是0
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