安森美半導(dǎo)體NCP1294太陽能充電控制器及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　眾所周知，太陽能電池板有一個(gè)IV曲線，它表示該太陽能電池板的輸出性能，分別代表著電流電壓數(shù)值。兩條線的交叉點(diǎn)表示的電壓電流就是這塊太陽能電池板的功率。不利的是，IV曲線會(huì)隨輻照度、溫度和使用年限而變化。輻照度是給定表面輻射事件的密度，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特?cái)?shù)表示。如果太陽能電池板沒有機(jī)械式陽光追蹤能力，一年中輻照度會(huì)隨著太陽的移動(dòng)變化約±23度。此外，每天從地平線到地平線太陽移動(dòng)的輻照度變化，可導(dǎo)致輸出功率在一整天的變化。為此，安森美半導(dǎo)體開發(fā)了一款太陽能電池控制器NCP1294，用來實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的最大峰值功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。本文將介紹該器件的一些主要功能和應(yīng)用時(shí)需要注意的問題。

增強(qiáng)型電壓模式PWM控制器
　　NCP1294是一款固定頻率電壓模式PWM前饋控制器，包含電壓模式運(yùn)作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電控制器，NCP1294針對高頻初級端控制操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高達(dá)140 W的太陽能板。這款器件提供的MPPT功能能夠定位最大功率點(diǎn)，并實(shí)時(shí)根據(jù)環(huán)境條件來調(diào)節(jié)，使控制器保持接近最大功率點(diǎn)，從而從太陽能板析取最大的電量，提供最佳的能效。
　　
　　此外，NCP1294還具有軟啟動(dòng)、精確控制占空比限制、低于50 μA的啟動(dòng)電流、過壓和欠壓保護(hù)等功能。在太陽能應(yīng)用中，NCP1294可以作為一種靈活的解決方案，用在模塊級電源管理（MLPM）解決方案。基于NCP1294的參考設(shè)計(jì)最大功率點(diǎn)追蹤誤差小于5%，可以為串聯(lián)或并聯(lián)的四個(gè)電池充電。圖1是NCP1294 120 W太陽能控制器框圖。

圖1：安森美半導(dǎo)體的NCP1294 120 W太陽能控制器框圖
　　
　　
　　如圖1所示，該系統(tǒng)的核心是功率段，它必須承受12 V至60 V的輸入電壓，并產(chǎn)生12 V至36 V的輸出。由于輸入電壓范圍覆蓋了所需的輸出電壓，必須有一個(gè)降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來支持應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員可以選擇多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：SEPIC、非反相降壓-升壓。反激式、單開關(guān)正激、雙開關(guān)正激、半橋、全橋或其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　
　　設(shè)計(jì)工作包括根據(jù)功率需求的增加隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電池充電狀態(tài)的管理是由適當(dāng)?shù)某潆娝惴ㄍ瓿傻摹Ｌ柲茈姵匕灏惭b技師可以選擇輸出電壓和電池充電速率。由于控制器要連接到太陽能電池板，它必須具有最大功率點(diǎn)跟蹤，為最終客戶提供高價(jià)值。控制器有兩個(gè)正使能(Enable)電路，一個(gè)電路檢測黑夜時(shí)間，另一個(gè)檢測電池的充電狀態(tài)，使外部電路不會(huì)使電池對損壞點(diǎn)放電。由于控制器將由不同程度經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場技術(shù)人員和新手安裝，因此重要的是輸入和輸出必須有反向極性保護(hù)。另外，控制器和電池可能安裝在過熱或過冷的位置，控制器必須采用電池充電溫度補(bǔ)償。設(shè)計(jì)還應(yīng)包括安全功能，如電池過壓檢測和太陽能電池板欠壓檢測。

動(dòng)態(tài)MPPT工作原理
　　為了從功率可變的電源(即太陽能電池板)析取出最大的功率，太陽能控制器必須采用MPPT。MPPT必須首先找到最大功率點(diǎn)并及時(shí)調(diào)整環(huán)境條件，以保持控制器接近最大功率點(diǎn)。動(dòng)態(tài)MPPT用在系統(tǒng)發(fā)生改變的情況下。由于每個(gè)開關(guān)周期都在發(fā)生變化，太陽能電池板汲取的功率也會(huì)在每個(gè)周期有明顯的改變。動(dòng)態(tài)MPPT利用太陽能電池板的電壓驟降乘以每個(gè)開關(guān)周期增加的電流，以確定將要產(chǎn)生的誤差信號來調(diào)節(jié)占空比。動(dòng)態(tài)響應(yīng)可檢測IV曲線的斜率，從而建立一個(gè)功率斜坡，從誤差信號相交點(diǎn)建立一個(gè)代表占空比的功率。當(dāng)斜坡變化斜率從正到負(fù)時(shí)該周期結(jié)束，如圖2所示。

圖2：PWM穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換器的電壓和電流