太阳能电池板电池充电器DIY设计制作全过程

“你不记得去年天气有多热吗？”Dev 提醒我。“我们使我们凉爽的东西。喷雾系统会让我们感到凉快。喷水可以使温度降低 10 度！”Doug 突然大声说道。这我们为准备参加 2009 年 Burning Man 活动而碰头儿时开始的一幕。我和 3 个朋友有了 2008 年令人惊喜的体验，决定再次到那个严酷的沙漠环境走一遭。我们誓言要把生活条件弄得比上次好，早早开始筹划，以确保我们在黑岩城沙漠能舒服，这片沙漠在美国内华达州里诺市北 100 英里的地方。

　　我们渴望舒服一点的条件是，一个基于水雾系统而让人凉快的方案，以克服困扰这片沙漠的干热空气。这可以用一台由电压源供电、连着一个带喷嘴的喷雾水龙带的水泵实现。喷雾系统的成功要素是电源，电源也可以用来给 LED 灯供电，以供夜间照明，给电源的外部设备充电。我们的计划是，用太阳能电池板给一个海上用的深周期电池充电，然后用这块电池给东西供电。随即，我开始了太阳能电池板电池充电器的设计。

　　我有 3 周时间完成设计。我向朋友 Simon 请求帮助，Simon 以前用凌力尔特公司的 IC 搞过太阳能供电设计。除了一台显示工作原理的样机，Simon 还给了我一份原理图，这台样机从未连上太阳能电池板测试过，但在实验室做过仿真。我很兴奋，有兴趣用真实的太阳能电池板测试设计，我们准备对样机进行像样的测试。

　　一位朋友借给我两块 BP 太阳能电池板 （BP380U）。在大约 20V 最高输出电压和 4A 最大输出电流时，每块电池板的峰值功率都是 80W （规格为，在 80W 最大功率时，电压为 17.6V，电流为 4.55A）。把这两块太阳能电池板合起来，我希望在太阳光直接直射在电池板上时，在峰值条件下能有 8A 的总电流。太阳能电池板连接到 Simon 的样机上没有几分钟，系统就充分运转了 （图 1 和图 2）。通过对样机的初步测试，查明了几个故障，后来这给我们节省了大量时间。

　　

　　图 1：测试 BP 太阳能电池板， BP380U （0 至 20V 输出，4A 峰值功率 80W）

　　

　　图 2：最初的太阳能充电电路样机，采用 12V 海上用深周期电池 。

　　样机运行，我购买了几块凌力尔特公司的演示板，并稍作修改以使其更适合重新设计过的系统规格要求。我保持样机备份和参考，我设计了一个新系统。我们了故障后，通过这些修改改善了原来的样机。总之，架构设计仍然是的：用 0 至 20V 的太阳能电池板，以 4A 的恒定电流给一个 12V 的电池充电。

　　太阳能电池充电器系统设计

　　用这些演示板忙活几天之后，我成功地完成了一个产生预期效果的设计，这设计将适合我们这次旅程。系统的方框图如图 3 ，该图显示了 IC 和演示板功能。系统的照片如图 4 ，显示了完整的太阳能电池板电池充电器单元。

　　

　　图 3：系统设计方框图

　　

　　图 4：最终的太阳能充电器电路

　　视太阳的不同而不同，太阳能电池板最初的输出电压在 0V 到 20V 变化，那么就用一个能接受这么宽输出范围的稳压器，并保持吸取低的电流 （每个电池板上的输入电流最大值都是 4A），调节一个固定的输出电压。这是在 DC1198A-B 演示板上用凌力尔特公司的微型模块 （μModule） DC/DC 降压-升压型开关稳压器 LTM4607 实现的。

　　LTM4607 是一个小型 LGA 封装 （15mm x 15mm x 2.8mm） 的芯片，其中一个的降压-升压型 DC/DC 开关稳压器所需的支持控制组件。的开关控制电路和 FET 内置到微型模块稳压器中，从而使该器件非常使用。结果是仅需一个微型模块稳压器、电感器以及几个电容器和电阻器就完成简洁规则的布局。4.5V 至 36V 的宽输入电压范围至固定 20V 输出 （范围为 0.8V 至 24V） 对于太阳能电池板的特性 （0 至 20V 输出） 正合适，而且该器件能加载高达 5A 的升压模式和 10A 的降压模式。在太阳能电池板峰值功率时，20V 输入至 20V/2.5A 输出的效率是 91%，而且积极了降压-升压型宽范围输入的好处。就系统设计的目的而言，输出调节到 20V，用输出给 LTC1435/LT1620 高效率、低压差电池充电器系统供电。

　　在 14V 稳定电压时，LTC1435/LT1620 演示板 （DC133A） 将充电电流控制到稳定的 4A.该演示板与 LT1620 数据表第一页上的应用电路类似，我将 FB 电阻器 （110k） 换成一个可变电位器，以实现输出电压调节，并将电池浮置电压设置到 14V.该演示板设计 LT1620 轨至轨电流检测放大器，结合 LTC1435 开关稳压器电路的高效率和低压差能力，形成了一个效率超过 95% 的电池充电器，从而在 4A 充电电流时仅 0.5V 输入至输出电压差。一个到地的编程电流设置电池充电电流 （4A），该电池充电电流一直是稳定的，直到电池电压达到预设的浮置电压 （在本文下为 14V） 为止。随着电池达到其满充电，电路的编程将自动转入涓流充电，并就电池的输出电压而言缓慢降低充电电流。这减轻了恒定过冲电给电池造成的压力。

　　一个理想二极管电路设计与 DC133A 充电系统的输出串联， LTC4414 实现电路保护，并允许在充电电路以最小损耗运行的使用电池。这种自动电源通路 （PowerPath？） 控制使外部设备自由地用太阳能电池板或电池供电。当太阳能电池板功率不足时，电路自动转为从电池吸取功率。该电路设计与 LTC4414 数据表第九页上的图 2 类似。LTC4414 （8 引线 MSOP 封装） 控制一个外部 P 沟道 MOSFET，以产生接近理想的二极管功能，用于电源切换。这允许多个电源高效率进行“或” 操作；在本文下，电源是太阳能电池板和电池。当连接一个外部设备时，电池和充电系统接受负载。在无负载时，将对电池充电。该设计允许一起使用太阳能电池板和电池供电，运行电池充电过程。这一部分没有演示板，我定制电路板上的应用电路进行设计。

　　电流检测系统与电池串联，并联检测电阻器测量电池的输入充电电流和输出放电电流，而无需断开电路。图 3 的方框图仅说明了输入充电电流。LTC6103 （采用 8 引线 MSOP 封装，在 4V 至 60V 范围内工作） 是一个双路独立电流检测放大器，可通过外部检测电阻器监视电流。该器件以 mV 为单位测量和提供电池充电和放电电流的电流比率输出。在本文下，它帮助指示电池充和放了多少电量。这是一种以低功率损耗读取电流的方法，这对保持一个高能效系统至关重要。我略微调节了 LTC6103 （DC1116A） 演示板以实现这一点。引脚 8 和 7 分别与进入电池的电流通路 +IN_A 和 -IN_A 串联。这将提供进入电池的充电电流。引脚 6 和 5 掉换后反着连接，以测量电池放电电流通路，+IN_B （引脚 5） 连接到 -IN_A （引脚 7），-IN_B （引脚 6） 连接到 +IN_A （引脚 8）。电阻器的值以 10 为倍数改变和调节，以便在 0.1Ω 并联检测电阻器与电路串联时，输出以 100mV/A 变化。图 5 中的万用表显示整个系统的结果。太阳能电池板输出电压是 17.11V，电池电压为 12.95V，充电电流是 3.58A.

　　

　　图 5：万用表显示 17.11V 太阳能电池板输出，12.95V 电池充电电压；3.58A 电池充电电流

　　ADC 和微控制器读数

　　我决定，每次检查电路是否正常运行时不使用电压表，电压表在沙漠中难以携带。避免携带多个万用表，我用一个微控制器和 ADC 来读取系统的电压值，并在的 LCD 显示屏上显示信息。这种方法可就电路性能提供实时数据，而无需连接几个万用表。

　　我使用 DC590B 演示板和 LTC2418 8信道 / 16 信道 24 位 ADC 演示板 DC571A.我的同事 Mark Thoren 给了我 PIC 微控制器的嵌入式源代码样本，我微调了源代码样本，以跨 LTC2418 上 ADC 的不同通道对电压采样，并以可接受的分辨率、准确地读出 mV 范围的电压值。既然基准电压的最大范围是 2.5V，那么我用一种电压分压器方法来按比例将电压降低到 mV 范围，以在 ADC 上实现正确的测量。通道连接到单个有关的输入和输出电压上，电流检测电压。这么做非常成功，无需多个万用表。图 6 是一个有关 LCD 显示屏的全功能系统的例子。我在 LCD 上得到的最后的显示提供了有关以下电压的信息：变化的太阳能电源电压 Vs、充电电路电压 Vc、电池电压 Vb、以及电池上的输入充电/放电电流 C 和 D.在本文下，是“C”，它在充电。放电时，程序将改变到“D”。

　　

　　图 6:LCD 读数：Vs （太阳能电池板电压）；Vc （充电电路电压）；Vb （电池电压）；C = 充电电流 （4.3A），用DC590B PIC 微控制器控制；用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 读取电压，该演示板由 LTM4601演示板 DC1041A 微型模块降压型稳压器供电。

　　注意，DC590B 演示板不是靠 12V 轨供电，而是靠 5V 轨供电。一个降压型稳压器将电压从电池的 12V 降低到 5V.降压型稳压器将是高效率的，电源将来自太阳能电池板和电池，我不想因运行 LCD 显示屏和微控制器而耗费大量功率。我使用 LTM4601 微型模块 DC/DC 开关稳压器演示板 DC1041A.

　　LTM4601 是一个 LGA 封装的 15mm x 15mm x 2.8mm 微型模块 DC/DC 开关稳压器，在 12A 最大负载电流时，输入为 4.5V 至 20V，输出为 0.6V 至 5V.LTM4601 的设计使得非常从 12V 电池提供一个稳定的 5V 输出。该微型模块控制支持组件，如电阻器、电容器、MOSFET 和电感器。在系统中，效率大约为 90%，使用最小的电池电流，极大地延长了电池寿命。更的是，输出电压用一个电阻器设置，我一个不同的电压轨 （例如 3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V），那么在演示板上用一条跨接线可以非常地改变输出电压。

　　总之，两块 BP 太阳能电池板，每块在 4A 电流时都有 0 至 20V 的输出，这两块太阳能电池板由 20V 输出的 LTM4607 降压/升压型微型模块开关稳压器调节，然后再到 14V 输入的 LTC1435/LT1620 电池充电器，通过一个理想二极管 MOSFET 控制器 LTC4414、一个串联的电流检测放大器 LTC6103，最终进入电池；以稳定的 4A 电流充电。在设计中，由 LTC2418 在不同的级获取 ADC 读数，并将读数送至由 LTM4601 微型模块开关稳压器供电的 DC590B 演示板微控制器，以在 LCD 上显示结果。图 7 显示正在运行的整个系统。

　　

　　图 7：运行中的整个系统设计

　　喷雾系统的机械设计

　　有了一个正常工作的太阳能充电器和稳定的 12V 输出，我就准备好着手组装喷雾系统了。去一趟五金店就得到了我