基于LTC4020芯片的單板太陽能供電系統(tǒng)設(shè)計

胡瀚+王春芳

摘 要：設(shè)計了一款適用于野外小型氣象站等設(shè)備的小功率儲能式單板太陽能供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)由單塊太陽能電池板發(fā)電，經(jīng)過LTC4020芯片控制的buck-boost電路實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，不僅為負(fù)載供電，同時為鋰電池組充電。陽光充足時，該裝置為負(fù)載供電的同時為蓄電池充電，光照較弱時優(yōu)先滿足負(fù)載供電需要，當(dāng)光照發(fā)電不夠為負(fù)載供電時由蓄電池為負(fù)載供電。

關(guān)鍵詞：Buck-Boost變換器；太陽能電池板；充電管理；鋰電池組

引言

為了對野外環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，一些小型檢測設(shè)備如小型氣象站、小型水質(zhì)檢測站等需安裝在沒有供電的地方。如何為這些小型設(shè)備安全可靠地供電成為一個比較棘手的問題。而帶有儲能的單板太陽能供電系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、壽命長、成本低等特點，非常適用于為此類監(jiān)測設(shè)備供電。為此本文設(shè)計了一款基于LTC4020芯片的單板太陽能供電系統(tǒng)，并做了相關(guān)仿真及實驗。

1 單板太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

單板太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、穩(wěn)壓及充電電路、蓄電池組及用電負(fù)載等組成。太陽能電池板選用BCT260-24型單板，開路電壓43.2V，最佳工作電壓為34.4V，最大功率260W。主電路采用如圖1所示的buck-boost電路，其主要由四只MOSFET開關(guān)管構(gòu)成，其中開關(guān)管B與開關(guān)管D用于實現(xiàn)對電路的檢測?？刂齐娐凡捎肔TC4020芯片控制，該芯片是一款具有多項保護功能的穩(wěn)壓及充電管理芯片，其具有多種充電模式，可以為不同電壓的鋰電池或者鉛酸蓄電池充電。本裝置選用了一款24V24AH鋰電池組，充電模式為恒流/恒壓充電。主電路工作頻率由外接于控制芯片的電阻設(shè)置，本設(shè)計將工作頻率設(shè)定在250k以減小電感體積[1-2]。

LTC4020芯片采用平均電流模式控制[3-4]，當(dāng)輸入電壓Uin大于所設(shè)定的輸出電壓Uout時，主電路工作在降壓狀態(tài)，開關(guān)管V1與開關(guān)管V2由LTC4020 相應(yīng)引腳產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動，理論上開關(guān)管V3保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，開關(guān)管V4持續(xù)導(dǎo)通，電路等效為buck電路，如圖2所示，通過控制開關(guān)管V1（即buck開關(guān)管）的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓。由于開關(guān)管V4采用自舉驅(qū)動，開關(guān)管V3在每個周期需要導(dǎo)通150nS以上，這段時間禁止開關(guān)管V4導(dǎo)通。

當(dāng)輸入電壓Uin小于所設(shè)定的輸出電壓Uout時，電路工作在升壓狀態(tài)，開關(guān)管V1保持開通，開關(guān)管V2關(guān)斷，開關(guān)管V3與開關(guān)管V4由相應(yīng)引腳產(chǎn)生的PWM波驅(qū)動，電路等效如圖3所示，通過調(diào)整開關(guān)管V3（即boost開關(guān)管）的占空比調(diào)節(jié)輸出電壓。

當(dāng)輸入電壓 Uin與輸出電壓Uout相近時，電路工作于升降壓狀態(tài)，四個開關(guān)管均由PWM波驅(qū)動。

2 實驗驗證

為了測試實驗參數(shù)制作了一臺樣機，記錄了蓄電池的充電曲線。由于太陽能電池板電壓變化較慢，而主電路工作頻率較高，因此，仿真及測試中采用了不同電壓的直流源模擬太陽能電池板作為輸入。實驗中分別采用了15V與36V直流源，測試了其在buck和boost模式下的工作狀況。

該電路為鋰電池充電過程分為三個階段，既涓流充電、橫流充電和恒壓充電，如圖4所示。涓流充電階段：在充電初期電池上電壓較低，采用浮充的方式充電至18V，浮充階段充電電流較小。橫流充電階段：當(dāng)電壓超過18V后，充電進入恒流充電模式，充電電流維持在6.2A，在此階段電池電壓快速上升，電壓上升至25V。恒壓充電階段：充電電壓為25V，保持電壓不變，充電電流快速下降，充電電流小于0.1C既可認(rèn)為充電完成。

3 結(jié)束語

本文采用凌特半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LTC4020芯片設(shè)計了一款小型太陽能供電系統(tǒng)，其帶有蓄電池儲能，適用于野外小型氣象站等設(shè)備供電。通過實驗證明了文中設(shè)計方案的可行性。

參考文獻

[1]Steve Knoth.用一款簡單的解決方案實現(xiàn)復(fù)雜的高壓、大電流電池充電系統(tǒng)[J].中國集成電路，2014，23（10）：37-40.

[2]Jay Celani.用于48V電源的完整單IC電源管理電池維護/后備系統(tǒng)[J].中國集成電路，2014，23（12）：89-91.

[3]俞鵬，王明渝，鄧湘鄂，等.基于平均電流控制的寬范圍輸入雙管Buck-Boost電路[C].第五屆中國高校電力電子與電力傳動學(xué)術(shù)年會論文集，2011.

[4]顏湘武，王楊，葛小鳳，等.雙管Buck-Boost變換器的帶輸入電壓前饋雙閉環(huán)控制策略[J].電力自動化設(shè)備，2016，36（10）：65-70，77.

作者簡介：胡瀚（1990-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子電能變換技術(shù)。