完整的太阳能光伏单芯片解决方案

【电源网络】为了简化仪表，监视和控制应用程序的无线通信所需的配电系统，电源设计人员努力寻找不依赖于电网的设备. 电池显然是一种不依赖于电网的解决方案，但是电池需要更换或充电，这意味着它最终会连接到电网太阳能升压ic太阳能升压ic，并且需要昂贵的人工干预和维护. 我们提出一种能量收集的方法. 使用这种方法时，能量是从仪器旁边的环境中收集的. 该仪器无需连接电网即可永久运行，并最大限度地减少或消除了维护要求.

可以收集各种环境能源来产生电能，包括机械振动，温度差和入射光. 其中，光伏能量收集具有广泛的应用，因为几乎到处都是光，光伏（pV）电池的价格相对较低，并且与其他环境能量收集解决方案相比，可以出现相对较高的功率. 由于光伏能量收集方法提供相对较高的能量输出，因此它们可用于为无线传感器节点供电，也可用于为高功率电池充电应用供电，以延长电池寿命，从而完全消除了对有线充电的需求.

串联的高压光伏电池可以提供足够的功率，但是单电池光伏电池解决方案很少，因为负载下的单电池光伏电池的电压非常低，并且很难获得如此低的电压电压. 出现有用的电源导轨. 很少有升压转换器可以从具有低电压和相对高阻抗的单电池光伏电池输出. 但是，LTC3105是专门为应对这些挑战而设计的. 该器件具有250mV的超低启动电压和可编程的最大功率点控制功能，从具有挑战性的光伏电源到大多数应用所需的典型电压轨（1.8〜5V）.

了解光伏电池电量

您可以使用与二极管并联的电流源来构建光伏电源的电气模型，如图1所示. 更复杂的模型可以显示一些次要效果，但就我们的目的而言，此模型已足够.

反映光伏电池特性的两个常用参数是开路电压和短路电流. 光伏电池的典型电流和电压曲线如图2所示. 请注意，短路电流是模型电流发生器的输出，开路电压是模型二极管的正向电压. 随着曝光量的增加，发生器中出现的电流也增加，IV曲线向上移动.

为了从光伏电池中提取最大功率，功率转换器的输入阻抗必须与电池的输出阻抗匹配，以便系统可以在最大功率点工作. 图3显示了典型的单电池光伏电池的功率曲线. 为了确保最大功率提取，光伏电池的输出电压应对应于功率曲线的峰值. LTC3105调节提供给负载的输出电流，以保持光伏电池电压等于最大功率点控制引脚设置的电压. 因此，可以使用单个电阻器设置最大功率点，并确保从光伏电池汲取最大功率和峰值输出充电电流.

可以提供多少电量？

光伏电池可以显示多少功率取决于许多因素. 电池的输出功率与投射到电池上的光的强度，电池的总面积以及电池的效率成正比. 大多数光伏电池被指定在完全阳光直射（1000W / m2）的条件下使用，但是在大多数应用中，不可能有这样的理想条件. 对于依赖阳光的设备，电池可用的峰值功率可能非常容易改变. 由于天气，季节，烟雾，灰尘和阳光入射角的变化，今天和明天之间可能会有10倍的差异. 在充足的阳光下，晶体电池会根据电池的特性而变化，典型的输出功率约为每平方英寸40mW. 面积为几平方英寸的光伏电池足以为多个遥感器供电并为电池trick流充电.

相比之下，使用室内照明的设备的可用能量要少得多. 普通室内照明的强度大约是充足日照的0.25％（室内照明强度与日照强度之间的巨大差异很难发现，因为人眼可以适应大范围的光强度）. 室内应用的可用光量要低得多，因此带来了一些设计挑战. 即使在典型的办公室照明条件下，面积为4平方英寸的大型高效晶体电池也只能产生860μW的功率.

选择最大功率点控制电压

图4显示了LTC3105使用的最大功率点控制机制的模型. 图3示出了光伏电池的功率曲线. 请注意，当电池电压远离峰值功率点上升时，光伏电池的功率将从峰值点急剧下降. 因此，通常更希望控制电压低于理想值而不是理想值，因为功率曲线在高压端下降得更快.

选择MppC跟踪电压时，必须考虑各种工作条件. 通常，最大功率点不会随着照明条件的变化而明显移动. 因此，可以选择跟踪电压，以在较宽的照明强度范围内保持接近最大功率点工作. 即使在极端的照明条件下，工作点也可能无法精确地达到最大功率点，与合理情况相比，输出功率降低通常仅为5％至10％.

就图5所示的功率曲线而言，在两种极端照明条件下，0.4V的MppC电压似乎都接近最大功率点. 在这两种情况下，与最大功率点的电压差均约为20mV，从而导致功率损耗不到3％.

根据相关经验，最大功率点控制电压应约为光伏电池开路电压的75％至80％. 让电池跟踪这样的电压，电池的输出电流为短路电流的75％至80％.

在室外照明下为锂离子电池充电

使用光伏电源的应用面临的挑战之一是在黑暗和弱光条件下输入功率不足. 对于大多数应用而言，这一挑战使得必须使用储能组件，例如超级电容器或可充电电池，其容量应足以在预期的最长暗时间内提供电力.

使用图6所示的LTC3105电路和2英寸×1英寸的多晶光伏电池为锂离子电池充电. 测得的充电电流曲线如图7所示. 图7的上部曲线显示了典型的晴天和充足阳光条件下的充电电流. 下部曲线显示在阴云下观察到的充电电流. 即使在这种弱光条件下，它也可以全天维持250μA或更高的充电电流，这相当于为电池提供总共6mAh的电量.

选择正确的储能设备

有许多存储所收集能量的选项，包括多种可再充电电池技术和高能量密度电容器. 不能将一种技术应用于所有应用程序. 为应用选择存储组件时，要考虑许多因素，包括自放电率，最大充放电电流，电压灵敏度和循环寿命.

在光伏应用中，自放电率尤为重要. 在大多数光伏电源应用中，可用的充电电流非常有限，并且高的自放电率可能会消耗光伏电源中的大部分可用能量. 一些储能组件（例如大型超级电容器）的自放电电流可能会超过100μA，这反过来可能会大大减少在一天的充电周期中累积的净电荷.

另一个关键考虑因素是储能设备的充电率. 例如，最大充电电流为300μA的锂离子纽扣电池应该在电池和LTC3105输出之间具有一个大电阻，以防止出现过流情况. 这可能会限制可收集的能量，从而减少可用于应用的能量.

在许多情况下，充电率与另一个重要因素“循环寿命”成正比. 存储组件的循环寿命决定了该组件无需维护即可在现场工作多长时间. 一般来说，更快的充电和放电会缩短组件的使用寿命. 超级电容器具有很长的循环寿命，以较高的电流（充电> 1C）对电池充电会缩短寿命. 除了充电和放电速率外，每个充电/放电循环的深度也会影响电池寿命. 循环越深，寿命越短.

对于某些类型的电池，尤其是锂离子电池和薄膜电池，必须小心控制最大和最小电压. 在LTC3105应用中，可以很好地控制最大充电电压，因为当输出进入稳定状态时，转换器会终止充电. 为了防止过度充电，LTC3105可以与LT071并联电池充电器一起使用，如图8所示.

结论

LTC3105是一个完整的单芯片解决方案，用于从低成本的单电池光伏电池中收集能量. 其集成的最大功率点控制和低压启动功能使其可以直接与单个光伏电池配合使用，并确保最佳的能量提取. LTC3105可用于直接为电路供电或为能量存储设备充电，以允许在黑暗中或光线不足的情况下工作. LTC3105使得可以实现自主的远程传感器节点，数据收集系统以及其他不依赖于网格和最少维护的应用.

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