一種太陽能電池板電池充電器設計全過程

　　ADC 和微控制器讀數(shù)

　　我決定，每次檢查電路是否正常運行時不使用電壓表，因為電壓表在沙漠中難以攜帶。為了避免攜帶多個萬用表，我用一個微控制器和 ADC 來讀取系統(tǒng)的電壓值，并在一般的 LCD 顯示屏上顯示信息。這種方法可就電路性能提供實時數(shù)據，而無需連接幾個萬用表。

　　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 給了我 PIC 微控制器的嵌入式源代碼樣本，我微調了這個源代碼樣本，以跨 LTC2418 上 ADC 的不同通道對電壓采樣，并以可接受的分辨率、準確地讀出 mV 范圍的電壓值。既然基準電壓的最大范圍是 2.5V,那么我用一種電壓分壓器方法來按比例將電壓降低到 mV 范圍，以在 ADC 上實現(xiàn)正確的測量。通道連接到單個有關的輸入和輸出電壓上，包括電流檢測電壓。這么做非常成功，無需多個萬用表。圖 6 是一個有關這個 LCD 顯示屏的全功能系統(tǒng)的例子。我在 LCD 上得到的最后的顯示提供了有關以下電壓的信息：變化的太陽能電源電壓 Vs、充電電路電壓 Vc、電池電壓 Vb、以及電池上的輸入充電/放電電流 C 和 D.在本文情況下，是"C",它在充電。放電時，程序將改變到"D".

圖 6:LCD 讀數(shù)：Vs （太陽能電池板電壓）；Vc （充電電路電壓）；Vb （電池電壓）；C = 充電電流 （4.3A），

用DC590B PIC 微控制器控制；用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 讀取電壓，該演示板由 LTM4601 演示板 DC1041A 微型模塊降壓型穩(wěn)壓器供電。

　　注意，DC590B 演示板不是靠 12V 軌供電，而是靠 5V 軌供電。需要一個降壓型穩(wěn)壓器將電壓從電池的 12V 降低到 5V.這個降壓型穩(wěn)壓器將必須是高效率的，因為電源將來自太陽能電池板和電池，我不想因運行 LCD 顯示屏和微控制器而耗費大量功率。我使用 LTM4601 微型模塊 DC/DC 開關穩(wěn)壓器演示板 DC1041A.

　　LTM4601 是一個 LGA 封裝的 15mm x 15mm x 2.8mm 微型模塊 DC/DC 開關穩(wěn)壓器，在 12A 最大負載電流時，輸入為 4.5V 至 20V,輸出為 0.6V 至 5V.LTM4601 的設計使得非常容易從 12V 電池提供一個穩(wěn)定的 5V 輸出。該微型模塊包括所有控制支持組件，如電阻器、電容器、MOSFET 和電感器。在這個系統(tǒng)中，效率大約為 90%,使用最小的電池電流，極大地延長了電池壽命。更容易的是，輸出電壓用一個電阻器設置，如果我需要一個不同的電壓軌 （例如 3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V），那么在演示板上用一條跨接線可以非常容易地改變這個輸出電壓。

　　總之，兩塊 BP 太陽能電池板，每塊在 4A 電流時都有 0 至 20V 的輸出，這兩塊太陽能電池板由 20V 輸出的 LTM4607 降壓/升壓型微型模塊開關穩(wěn)壓器調節(jié)，然后再到 14V 輸入的 LTC1435/LT1620 電池充電器，通過一個理想二極管 MOSFET 控制器 LTC4414、一個串聯(lián)的電流檢測放大器 LTC6103,最終進入電池；以穩(wěn)定的 4A 電流充電。在這個設計中，由 LTC2418 在不同的級獲取 ADC 讀數(shù)，并將讀數(shù)送至由 LTM4601 微型模塊開關穩(wěn)壓器供電的 DC590B 演示板微控制器，以在 LCD 上顯示結果。圖 7 顯示正在運行的整個系統(tǒng)。

圖 7:運行中的整個系統(tǒng)設計

　　噴霧系統(tǒng)的機械設計

　　有了一個正常工作的太陽能充電器和穩(wěn)定的 12V 輸出，我就準備好著手組裝噴霧系統(tǒng)了。去一趟五金店就得到了我需要的材料：艙底污水泵、水龍帶連接器、水龍帶夾具、轉接器和噴霧系統(tǒng)。水龍帶長約 15 英尺，擰在轉接器螺釘上，用水龍帶夾具固定到水泵上，噴霧系統(tǒng)固定在末端，有 5 個噴霧嘴。底艙污水泵靠最大值為 12V 的電壓運行，水壓可以通過降低電壓來控制。

　　為了實現(xiàn)靈活性，我安裝了一個穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可以接受 12V 輸入，并將輸入轉換成可變的 12V 輸出。這要求 LTM4607 設計有降壓/升壓特性。該器件使用一個反饋電阻器控制輸出電壓。一個 50k 的可變旋鈕電位器取代了電阻器，從而非常容易控制 0.8V 至 12V 的輸出。還串聯(lián)了一個 5.62k 的電阻器，以限制輸出電壓，保持輸出低于 15V.該設計通過旋轉一個旋鈕實現(xiàn)了水壓控制。

　　然后，我就可以測試我的全功能噴霧系統(tǒng)了。結果，水泵導致最大約 6A 的電池放電電流，這意味著，在峰值輸出時，水泵約從每塊太陽能電池板獲得 4A 電流。控制水泵速度和壓力的好處是，我可以將壓力降到足夠低，以降低電池的放電電流，并全部靠太陽能電池板運行水泵，以節(jié)省電池電量，這樣做非常有效。通過這種方法，我們能夠在營地全天運行噴霧系統(tǒng)，而不必擔心電池放電，耽誤夜間用于 LED 照明系統(tǒng)。

　　LED 照明

　　隨著電源的完成，我就可以增加電路，在晚上高效率地提供照明了。LED 足夠亮，可以照亮房間，這在以前是不可想象的，但是新的技術進步已經為 LED 照明的新時代創(chuàng)造了條件。尤其是，Philips Lumileds Luxeon LED 在 1000mA 時可以提供超過 100 流明的光。我配備了一個 LumiLED 陣列，使用 LTC3475 （16 引線 TSSOP 耐熱增強型封裝） 雙路 1.5A 恒定電流 LED 驅動器 DC923A 演示板。它設計成用一個寬范圍輸入電壓 （4V 至 30V） 驅動兩個信道，每個信道 1.5A.12V 電池直接連接到演示板的輸入，為每個通道 3 個串聯(lián)的 LED 燈供電，當兩個通道都接通時，總共有 6 個 LED.這些 LED 出奇地亮，用一塊柔光布遮上時，足夠照亮我們整個營地。晚上的放電電流全部來自電池，因為太陽能電池板夜間提供零電力。以 2A 的總放電電流，可以整晚為這些燈供電。到接近中午或偏下午時，電池再次充滿電，為給噴霧系統(tǒng)供電做好了準備，在早午餐后，噴霧系統(tǒng)就可以讓我們感到涼爽了。

　　用于外部設備的點煙器適配器

　　我們的通信無線電收發(fā)報機在大量使用以后需要充電，因為蜂窩電話接收不到信號。我們使用的無線電收發(fā)報機有一個汽車適配器插頭，可通過點煙器充電。為了快速充電，我增加了一個連接到電池的 12V 點煙器內孔適配器，專門用于該汽車適配器插頭。這證明很有用，因為電池充電一次僅持續(xù)幾個小時，所以我們需要經常給我們的無線電收發(fā)報機充電。圖 8 顯示的是，通過連接到 12V 電池輸出的點煙器給無線電收發(fā)報機充電。

圖 8:通過汽車點煙器在 12Vdc 時對 Ham無線電收發(fā)報機充電

　　調試和隱患

　　在用樣機進行的一次初步測試中，我發(fā)現(xiàn)了太陽能電池板使用的一個根本限制。太陽能電池板上變化的電壓也意味著變化的電流。我在仿真一些現(xiàn)實世界的要素時，例如陰影遮住太陽能電池板或陽光不足，頓悟了這個問題。在一種極端情況下，在電池板上方舞動手臂都能引起系統(tǒng)閉鎖到限流值上，這令人擔憂。當陽光變化使輸出電壓下降時，樣機的電流模式架構使系統(tǒng)從太陽能電池板吸取更多電流，這是非常合乎情理的，因為功率反映的是電流與電壓之間的關系，電壓下降時，電流會上升，以達到同樣的功率值。解決方案是，設計一個功率變化的系統(tǒng)，因為視陽光在太陽能電池板上照射量的不同而改變，輸入電壓和輸入電流會變化。

　　因為電池板可能只提供 4A 的最大峰值電流，所以輸入端的這種欠流使系統(tǒng)閉鎖，并保持閉鎖狀態(tài)直到系統(tǒng)復位為止。簡單的解決方案是，當輸入電壓降至低于某個門限時，復位 LTM4607 微型模塊穩(wěn)壓器上的 RUN 引腳。當電池板電壓下降時，用一個帶設定基準電壓的比較器去觸發(fā)可以做到這一點。不幸的是，這個解決方案不是最佳的，因為視電池板接受的太陽光照射量的不同，會引起系統(tǒng)或者接通或者斷開。一個更適合的解決方案是，就太陽能電池板電壓而言，調節(jié)充