動態(tài)電源路徑管理簡化了太陽能板對電池的充電

太陽能電池通常是由p-n結(jié)組成的，入射光線能量（光子）通過導(dǎo)致p-n結(jié)電子和空穴的重新組合來產(chǎn)生電流。由于p-n結(jié)的特性類似于二極管的特性，因此我們通常以如圖1所示的電路作為太陽能電池特性的一個簡化模型。

圖1 太陽能電池簡化電路模型

電流源IPH會產(chǎn)生一個和太陽能電池上的光量度成正比的電流。在沒有負(fù)載連接的情況下，幾乎所有產(chǎn)生的電流均流經(jīng)二極管D1，其正向電壓決定了太陽能電池的開路電壓 (VOC)。該電壓會因不同類型太陽能電池的特性而有所差異。但是，對于大多數(shù)硅電池而言，這一電壓都在0.5～0.6V之間（這也是p-n結(jié)二極管的標(biāo)準(zhǔn)正向電壓）。在實(shí)際太陽能電池應(yīng)用中，并聯(lián)電阻RP的漏電流很小。隨著負(fù)載電流的增加，IPH產(chǎn)生的大部分電流從二極管中流出來并進(jìn)入負(fù)載。對于大多數(shù)負(fù)載電流而言，這個過程對于輸出電壓僅有很小的影響。由于二極管的I-V特性會有輕微的變化，并且由于串聯(lián)電阻RS的原因（其具有連接損耗），電壓會稍有下降，但輸出電壓卻保持大體恒定。然而，有時(shí)流經(jīng)D1的電流太小，從而導(dǎo)致二極管偏置不夠，并且二極管兩端的電壓會隨著負(fù)載電流的增加而急劇下降。最后，如果所有產(chǎn)生的電流均只流經(jīng)負(fù)載（而不流經(jīng)二極管），則輸出電壓就會變?yōu)榱?。這個電流被稱為太陽能電池的短路電流(ISC)。ISC和VOC都是定義太陽能電池工作性能的主要參數(shù)之一（見圖2）。

圖2 典型的太陽能電池I-V特性

在大多數(shù)應(yīng)用中，人們都期望太陽能電池能提供盡可能多的電能。由于輸出功率是輸出電壓和電流的乘積，因此就必須確定電池工作區(qū)域中的哪一部分所產(chǎn)生的功率值最大，這一點(diǎn)被稱為最大功率點(diǎn)(MPP)。當(dāng)輸出電壓為其最大數(shù)值(VOC)時(shí)，輸出電流為零，這是一個極端情況；而當(dāng)輸出電流達(dá)到最大值(ISC),但輸出電壓為零時(shí)，則是另一種極端情況。在這兩種情況下VI的乘積均為零，因此肯定都不是MMP點(diǎn)。我們可以很容易證明（或通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察），在任何應(yīng)用中，MPP一般會出現(xiàn)在太陽能電池輸出特性（見圖3）下半部分的某個位置。但問題是太陽能電池MPP的確切位置會因入射光線和環(huán)境溫度不同而變化。所以，設(shè)計(jì)旨在動態(tài)地調(diào)節(jié)太陽能電池的輸出電流，以達(dá)到太陽能電量生成系統(tǒng)的最大化，使其在實(shí)際應(yīng)用中能夠在MPP點(diǎn)或者其臨近點(diǎn)工作。

圖3 太陽能電池輸出特性

實(shí)施這一方案（最大功率點(diǎn)跟蹤器）的方法有很多，但都非常復(fù)雜，尤其是在衛(wèi)星等任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)中。然而，在很多小型應(yīng)用中，并不需要極其精確的MPP跟蹤方案，只需要一個能利用率約90%～95%可用電能的簡單低成本解決方案即可。TI線性充電控制器bqTINY-III系列的動態(tài)電源路徑管理(DPPM)功能就可用于諸如簡化MPP跟蹤器的實(shí)施。

圖4 bqTINY-III線性充電器的DPPM工作原理

DPPM功能的主要原理如圖4所示。暫時(shí)忽略USB輸入，電路的工作原理如下：Q1對OUT引腳的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，Q2根據(jù)一個典型的CC-CV鋰離子充電曲線對充電電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果連接至AC引腳的電源電流不足而無法為系統(tǒng)供電并為電池充電，則VOUT開始下降。如果VOUT達(dá)到了預(yù)定義的閾值VDPPM，bqTINY-III則會自動將充電電流降至一個可保持VDPPM時(shí)VOUT的水平。

圖5 使用太陽能板對電池進(jìn)行充電

該特性可用于圖5所示的應(yīng)用。其中，一個太陽能板被用于為一個單體鋰離子電池再充電。該太陽能板由若干電池串組成，每個電池串包括11個串聯(lián)硅電池。它的作用類似于電流限制電壓源，電流限制則是由太陽能板的大小以及照射在上面的光量來確定的。

從該太陽能板上獲得的最大輸出電壓(VOC)通常介于5.5～6V之間。因?yàn)樵撾妷旱陀赽q24030預(yù)定義的6V輸出調(diào)節(jié)電壓，Q1被完全開啟(turned hard-on)。RSET定義了一個1A的最大充電電流。

如果其超過了太陽能電池的輸出電流（取決于光線強(qiáng)弱），太陽能板的輸出電壓就會下降，從而降低了bq24030 OUT引腳的電壓。RDPPM對bq24030進(jìn)行了編程以自動將ICHG降至一個容許VOUT保持在4.5V的電平。之所以采用VDPPM這個值，是因?yàn)樗浅７咸柲馨宓淖畲蠊β庶c(diǎn)(MPP)。假設(shè)Q1兩端的電壓降為300mV，那么每個電池的電壓就將會變?yōu)?36mV，這樣就會最大化太陽能板的功率輸出。如果VOUT高于 4.5V，則DPPM就會不起作用，太陽能板的工作狀態(tài)就會偏離MPP。但是，只有所需的電能少于太陽能板所能提供的電能時(shí)，才會發(fā)生這樣的情況，此時(shí)效率的降低不會有太大的影響。如圖3所示，隨著輸出功率逼近MPP，輸出功率曲線變得十分平穩(wěn)，然后突然急劇下降。因此，把VDPPM設(shè)置得稍高些比設(shè)置得稍低些要好。這樣就可以將不恰當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)對輸出功率的影響最小化。

如果太陽能板提供的電能不足以為系統(tǒng)供電，甚至當(dāng)電池充電電流已經(jīng)被降低至零的時(shí)候，Q2就會被開啟，VOUT將下降到恰好低于電池電壓VBAT，而電池則能提供任何太陽能板所不能提供的電流。

bqTINY-III還允許通過USB端口對電池進(jìn)行充電。在這種情況下，Q3就會被用來調(diào)節(jié)輸入電流，以確保USB規(guī)范可根據(jù)IC的ISET2引腳狀態(tài)滿足100mA或500mA的要求。如果系統(tǒng)和充電電流的總和超過了所選USB的電流極限，則VOUT就會下降且DPPM功能會降低充電電流，或像從前那樣還原為電池補(bǔ)充模式。