通过MPPT算法简化高效能量收集系统设计

太阳能收获已经在高度复杂的设备中得到支持，这些设备集成了最大化太阳能转换为电能所需的全套功能。通过利用ADI，德州仪器和意法半导体等能量收集IC制造商的低成本评估套件，工程师可以快速深入了解这些器件 - 以及一般的能量收集原理。

虽然光伏电池太阳能采集的概念很简单，但有效的能量采集系统的实施依赖于对无数细节的充分认识。在这些细节中，太阳能PV板的正确加载是必要的，因为PV板的最大输出发生在PV板的功率曲线上的精确点处。该最大功率点（MPP）可以在一系列曲线上移动，这些曲线与各种因素相关，包括照亮面板的光强度，环境温度，面板中PV电池的寿命和健康状况以及面板电压由面板上的负载决定（图1）。因此，最有效的能量收集设计采用最大功率点跟踪（MPPT）方法，其动态调整PV电池上的负载以维持其在MPP下的操作。

图1：在影响太阳能转换的各种因素中，由负载确定的光伏电池或面板电压可以显着改变最大功率点。 （德州仪器公司提供）

MPPT优化方法可能很复杂 - 事实上，MPPT算法仍然是学术界和工业界研究的主题。然而，ADI公司的ADP5090，STMicroelectronics SPV1050和德州仪器公司bq25505等专用能量采集设备提供集成的MPPT功能，可满足许多能量采集应用的需求。虽然这些支持MPPT的IC简化了高效能量收集系统的实施，但它们本身就是复杂的设备，需要仔细关注与其配置和操作相关的细节。

专业的能量收集设备只需很少的外部元件即可用MPPT实现复杂的太阳能收割机。事实上，模拟ADP5090，ST SPV1050和TI bq25505可用作能量采集电源，能够从μwatt级环境光源中提取电能，同时为可充电电池和超级电容器的负载和充电管理提供电源管理。例如，只需几个无源元件，Analog的ADP5090就可以直接驱动MCU和RF收发器等外部器件，并与ADI公司的ADP161等稳压器配合使用，为传感器等电压敏感器件供电（图2）。

图2：专用的能量收集设备，如ADI公司的ADP5090，只需很少的外部元件即可提供完整的太阳能收集设计，并配有MPPT功能，电源管理和电池充电功能。 （由Analog Devices提供）

这些器件中的每一个都使用类似的MPPT方法，利用MPP电压（VMPP）与太阳能电池的开路电压（VOC）之间的恒定线性关系或热电发电机（TEG）：

其中常数k取决于特定的PV电池或面板。通常，太阳能电池在加载到其开路电压的约70％至80％时处于其MPP，并且当加载至约50％VOC时TEG处于MPP。 IC制造商使用这种关系通过简单的电阻网络将VMPP设置为适当的百分比。例如，模拟ADP5090使用一对电阻R1和R2设置VMPP（参见上面的图2）。使用此器件，VMPP = VOC× R1/（R1 + R2），其中R2是从VIN（VOC）连接到ADP5090的MPPT引脚的电阻，R1连接到MPPT和GND 。

在ADP5090正常工作期间，器件将连接到CBP引脚的电容上的VMPP参考电压存储在引脚MPPT上。为了确保采样的VMPP实际上是太阳能电池的MPP，器件定期刷新采样的VMPP：每隔19秒，ADP5090禁用其集成升压调节器296 ms并重新采样开路电压，导致周期性尖峰VIN（图3）。

图3：支持MPPT的器件（如ADI公司ADP5090）的操作可能会出现微妙的副作用，例如由于与集成MPPT算法相关的VOC采样导致的VIN峰值。 （由Analog Devices提供）

虽然MPPT采样特性是ADP5090功能的一个重要方面，但MPPT只是其中之一。对于希望利用能量收集来为电池充电或以其他方式为电路供电的工程师而言，ADP5090等设备包括一系列复杂的功能，包括升压调节，充电管理，备用电源以及各种信号，如PGOOD，用于指示可用功率电平，最小功率工作电平和电源选择等等。

ADI公司ADP5090-2-EVALZ评估套件提供完整的能量收集系统，使工程师能够推迟深入了解ADP5090配置问题，而是专注于其能量收集，电池充电和电源管理功能。实际上，该套件包括图2所示的全部组件（包括ADP161稳压器，但不包括图中所示的MCU或ADF7xxx RF收发器）。例如，该套件完全配置为MPPT，使用R1 =18MΩ和R2 =4.7MΩ的值，根据需要提供VMPP设置为VOC的80％。

用于评估能量收集bq25505器件，德州仪器bq25505EVM提供一组跳线，使工程师可以轻松地将VMPP/VOC比率设置为几个预设值。与模拟ADP5090类似，TI bq25505以电阻网络设定的固定VOC比率对VMPP进行采样。在TI评估套件中，工程师可以使用电路板的跳线轻松地将太阳能电池的比例设置为80％，或者将TEG的比率设置为50％。

同时使用适当的电阻值进行设置在VMPP/VOC比率下，能量转换效率还依赖于正确选择电容器和电感器，这些电感器和电感器通常用于提高从低功率源获取能量的设计中的电压水平。为使升压转换正常工作，电感值必须足以允许至少30％的余量，通常高于预期的峰值电感电流。

同样，输入电容的选择至关重要，选择不当会极大地影响效率。例如，在STMicroelectronics SPV1050使用的400 ms采样时间内，输入电容CIN由能量源充电至VOC，其时间常数由电容和电源的等效电阻决定。如果电容过高，电容可能无法在400 ms的时间窗内充电，从而影响MPPT精度和整体转换效率（图4）。然而，通过使用ST的STEVAL-ISV020V1评估套件，工程师可以确保正确配置基于SPV1050的能量收集设计，能够优化从环境源提取能量。

图4：正确确定电阻，电感和电容的大小对于确保最大的能量收集效率至关重要。在这种情况下，为ST SPV1050能量采集IC选择过大的输入电容会导致MPPT误差和效率损失。 （由STMicroelectronics提供）

专为从太阳能和其他能源中获取能源而设计，ADI公司的ADP5090，STMicroelectronics SPV1050和德州仪器bq25505等专用设备提供复杂的功能，包括MPPT优化，充电管理，和备用电源功能。对于能够充分利用其全部功能的设计人员而言，这些设备可为创建非常复杂的能量收集应用提供显着优势通过基于这些设备的评估套件的可用性，工程师不仅可以更深入地了解这些设备，还可以更深入地了解能量收集原理。