- 高能效太阳能充电控制器设计实例

　　输入和输出电流的平衡

　　当构建一个理想的太阳能控制器时，控制器应保护电池或负载，同时从太阳能电池板提取最大的能量。不幸的是，在现实世界中顾客或安装人员可能会购买一个大型太阳能电池板和一个小电池。如果太阳能控制器是在峰值功率下充电，电池充电速度过快，会缩短电池寿命或可能发生爆炸。控制器应该做的是管理电池需求，根据太阳能电池板提供的峰值功率来平衡充电速度。因此，最大电池充电速率的设定和选择方案是需要确定如何限制系统的输出电流。电流的设定是通过 NCP1294 所提供 3.3V 基准和电阻分压器网络完成的。短接一个或多个转接口（header）将实现不同的电流限制值。

　　反极性保护

　　除了正常的太阳能电池板瞬态，还有四种不同的输入输出连接可能性。第一种情况，输入和输出连接正确，无需保护。第二种情况，输入电压反向连接。如果在这种情况下允许电流流过，那么所有输出二极管都可能损坏。

　　不过，在图 5 所示 B 或 C 的输入端串联一个二极管就可以保护所有器件。串联二极管的一个缺点是，它会连续耗散系统功率。如果反向极性保护二极管放在高电流系统中，损耗可能会很大。实施反极性保护的另一种方法是放置一个二极管，例如，当施加反向电压时它会使保险丝开路，如图 5 D 所示。选择的保险丝可以是一个用户可更换或波利热熔断器。保险丝可以提供必要的保护，但可能

　　导致不太好的用户体验。实现二极管反向极性保护的低损耗方式是使用MOSFET，当施加的电压极性正确时 MOSFET 导通，而在电压极性不正确时关闭。图5所示。

　　

　　图 5：反极性的输入端连接

　　在第三种情况下，输出是反极性连接，输入是正确连接，功率元件可能会损坏。由于源假定为铅酸电池，保护至关重要，因为损坏的元件可能消耗大量的能量。图5显示了防止反向输出电压的方法之一。

　　最后一种情况是输入和输出的连接都不正确。在这种情况下，如果设计人员实施了第二和第三种保护，输入和输出都将受到保护。设计人员不应忽略电压抑制器，它安装在瞬态电压的输入端，其极性可能正确或不正确。因此，重要的是要有双向瞬态抑制器，能够承受正常反极性电压而不会损坏。

　　电池充电

　　铅酸电池充电有三个阶段：恒流充电或大电流充电、吸收或恒压模式，以及浮充电。在大电流充电期间，电流保持恒定，这是由 NCP1294 脉冲电流限制和电流设置电路的脉冲完成的。除非最大功率点低于这个水平，电流都将保持在设计人员或用户设定的充电速率，此时将充电到最大功率点调整率。

　　OOV 比较器

　　NCP1294 配备了一个 OOV 比较器，可以监测输出电池电压，以确定是否反馈机制已损坏，或远程检测受到超过电池温度补偿的电池电压的影响。当断开OOV 时系统关闭。比较器可用在系统输入或系统输出，但推荐用作输出的故障安全机制。当使用单电池系统时，可以使用 18V 的触发点（trip point）或基于充电状态设置触发点。如果使用浮动电压状态，需要设置 15 V 为触发电压。

　　OUV 功能

　　NCP1294 的欠压锁定功能（OUV）功能可监测转换器的输入电压，以确定是否输入电压水平会导致热问题。OUV 可以独立监测输入电压，以确保输入电压在理想水平，从而提供最大输出功率。

　　OTP 功能

　　由于太阳能控制器可能以不恰当的方式使用，建议对降压主开关的温度进行监测，以确定它是否超过了最高温度水平。如果主 MOSFET 的温度已超过了适当的水平，过温保护（OTP）可以抑制电流以减少系统功耗。

　　热管理

　　NCP1294 是一个低功耗器件。一旦确定了 IC 功耗，设计人员可以计算出所需的热阻抗，以保持最差环境温度下指定的结温。太阳能控制器的热性能受 PCB布局影响很大。在设计过程中应格外小心，以确保 IC 和电源开关在建议的环境条件下工作。任何电源设计都应进行适当的实验室测试，以确保在最差工作条件下设计所需的功耗。在测试过程中考虑的变量应包括最高环境温度、最小气流、最大输入电压、最大负载和元件变化（即最差情况下 MOSFET 的 RDSON）。

　　太阳能电池板

　　NCP1294 评估板支持的太阳能电池板在 5 W 和 120 W 之间。这里考虑的是行业标准类型的太阳能电池板。最常见类型的太阳能电池是晶体硅，它有两种主要类型：单晶硅和多晶硅。单晶硅能效最高，但生产也比较昂贵，通常仅限于商业和住宅应用。非晶太阳能电池板由涂覆在不锈钢或类似材料上的熔融硅薄膜构成。晶体结构非常脆弱，通常夹在两片玻璃之间，以利于保护。单晶硅的效率为18％，多晶硅为 15％，非晶态为 10％。

　　

　　图 6：太阳能控制器电路板

　　利用这个功能丰富而灵活的解决方案，工程师可以根据不同太阳能电池板的要求开发出适用的产品，让最终用户享用到先进半导体技术带来的便利和更好的使用体验。