如今，低功率電子技術的發展允許將電池供電的傳感器和其他設備安置在遠離電網的地方。在理想的情況下，為了真正擺脫電網的束縛，就應免除更換電池的需要，而代之以由局部環境提供的可再生能源(如太陽能)對電池進行再充電。本設計要點說明了怎樣構建一款依靠小型雙電池太陽能板工作的緊湊型電池充電器。該設計的獨特之處在于DC/DC轉換器運用功率點控制以從太陽能板吸取最大的功率。

最大功率點控制的重要性

雖然太陽能電池或太陽能電池板是按照功率輸出來分類，但電池板的可用功率卻很少是恒定的。其輸出功率在很大程度上取決于光照、溫度以及從電池板吸收的負載電流。為說明這一點，圖1示出了一塊雙電池太陽能板在恒定光照條件下的V-I特性曲線。I-V曲線在短路(最左側)至大約550mA負載電流的范圍內具有相對恒定的電流特性，隨之在較低的電流條件下它遵從于恒定電壓特性，并在開路時(最右側)趨近于最大電壓。電池板的功率輸出曲線顯示：功率輸出在大約750mV/530mA的地方(I-V曲線的拐點處)出現一個明顯的峰值。如果負載電流增至超過功率峰值，則功率曲線迅速下降至零(最左側)。同樣，輕負載也會使功率趨向于零(最右側)，不過這往往不太會是一個問題。

圖1：太陽能電池板的輸出電壓、電流和功率

當然，電池板的光照條件會影響可用功率——光照少則功率輸出較低；光照多則功率輸出較高。盡管光照直接影響著峰值功率輸出的大小，但它對于峰值在電壓標度上的位置卻沒有那么大的影響。就是說，不管光照如何，出現峰值功率的電池板輸出電壓保持相對恒定。因此，通過適度調節輸出電流以使太陽能板的電壓處于或高于該峰值功率電壓(這里為750mV)是明智的。這種做法被稱為最大功率點控制(MppC)。

圖2示出了在采用和未采用最大功率點控制的情況下，陽光的變化對于充電電流的影響。模擬陽光的強度從100%降至約20%，而后回升至100%。請注意，當陽光強度下降至20%左右時，太陽能板的輸出電壓和電流也下降，但是LTC3105的最大功率點控制則可以防止太陽能板的輸出電壓降至750mV的設定值以下。它通過減小LTC3105的輸出充電電流以防止太陽能板電壓驟降至接近0V來實現上述功能，如圖2中右側的曲線圖所示。而在未采用功率點控制時，陽光強度的小幅下降也會完全阻斷充電電流的流動。

圖2：改變陽光強度會影響充電電流

具輸入功率控制功能的LTC3105升壓型轉換器

LTC3105是一款同步升壓型DC/DC轉換器，主要設計用于將取自環境能量源(例如：低電壓太陽能電池和熱電發生器)的功率轉換為電池充電功率。LTC3105采用MppC從能量源輸送最大的可用功率。它通過減小LTC3105的輸出電流以防止太陽能板的電壓驟降至接近0V來實現這一功能。LTC3105能夠在低至250mV的輸入電壓條件下啟動，因而使其能夠由單個太陽能電池或者多達9節或10節串聯連接的電池來供電。

輸出斷接功能免除了其他太陽能供電型DC/DC轉換器常常需要的隔離二極管，并允許輸出電壓高于或低于輸入電壓。在啟動期間400mA的開關電流限值被減小，以便依靠阻抗相對較高的電源來工作，但一旦轉換器處于正常運作狀態仍可提供適合眾多低功率太陽能應用的足夠功率。另外，LTC3105還具有一個6mA的可調輸出低壓差線性穩壓器、漏極開路電源良好輸出、停機輸入和突發模式(BurstMode)操作能力，以改善低功率應用的效率。

太陽能供電型鋰離子電池充電器圖3示出了一款緊湊的太陽能供電型電池充電器，它采用LTC3105作為升壓型轉換器，而將LTC4071用作鋰離子電池并聯充電器。一塊雙電池400mW太陽能板負責為LTC3105提供輸入功率，以在陽光充足的情況下產生60mA以上的充電電流。如圖1所示，最大功率點控制可防止太陽能板的電壓降至750mV的最大功率點以下。轉換器的輸出電壓被設置為4.35V，略高于鋰離子電池的4.2V浮置電壓。LTC4071并聯充電器將電池兩端的電壓限制為4.2V。把FBLDO引腳接地可將低壓差穩壓器設置為2.2V，用于給“充電”LED供電。該LED在電池充電時接通，而當電池電壓處于浮置電壓的40mV以內時則關閉(以表示電池接近滿充電狀態)。一個NTC熱敏電阻用于感測電池溫度，并在環境溫度很高的情況下降低LTC4701的浮置電壓以提高電池的安全性。為避免電池遭受過度放電的損壞，低電池電量斷接功能可在電池電壓下降至低于2.7V時將電池與負載斷接。

圖3：雙電池太陽能板和鋰離子電池充電器

結論

雖然本文描述的電路僅可產生幾百mW的功率，但它卻能夠在大多數天氣條件下提供足以使一個400mAhr鋰離子電池保持滿充電狀態的功率。低輸入電壓與輸入功率控制相結合，使得LTC3105成為低功率太陽能應用的理想選擇。此外，LTC4071并聯充電系統還通過提供精準浮置電壓、充電狀態和溫度安全特性而對LTC3105給予了補充，可在室外環境中確保長久的電池使用壽命。