"你不記得去年天氣有多熱嗎?"Dev提醒我。"我們要一些使我們涼爽的東西。噴霧系統會讓我們感到涼快。噴水可以使溫度降低10度!"Doug突然大聲說道。這就是我們為準備參加2009年BurningMan活動而碰頭兒時開始的一幕。我和3個朋友有了2008年令人驚喜的體驗，決定再次到那個嚴酷的沙漠環境走一遭。我們誓言要把生活條件弄得比上次好，因此早早開始籌劃，以確保我們在黑巖城沙漠能舒服一些，這片沙漠在美國內華達州里諾市北100英里的地方。

我們渴望舒服一點的條件是，一個基于水霧系統而讓人涼快的解決方法，以克服困擾這片沙漠的干熱空氣。這可以用一臺由電壓源供電、連著一個帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實現。噴霧系統的成功要素是電源，這個電源也可以用來給LED燈供電，以供夜間照明，或者給其它要電源的外部設備充電。我們的計劃是，用太陽能電池板給一個海上用的深周期電池充電，然后用這塊電池給其它所有東西供電。隨即，我開始了太陽能電池板電池充電器的設計。

我有3周時間完成設計。我向朋友Simon請求幫助，Simon以前用凌力爾特公司的IC搞過太陽能供電設計。除了一臺顯示工作原理的樣機，Simon還給了我一份原理圖，這臺樣機從未連上太陽能電池板測試過，但在實驗室做過仿真。我很興奮，有興趣用真實的太陽能電池板測試這個設計，我們準備對樣機進行像樣的測試。

一位朋友借給我兩塊Bp太陽能電池板(Bp380U)。在大約20V最高輸出電壓和4A最大輸出電流時，每塊電池板的峰值功率都是80W(實際規格為，在80W最大功率時，電壓為17.6V,電流為4.55A)。把這兩塊太陽能電池板合起來，我希望在太陽光直接直射在電池板上時，在峰值條件下能有8A的總電流。太陽能電池板連接到Simon的樣機上沒有幾分鐘，系統就充分運轉了(圖1和圖2)。通過對樣機的初步測試，查明了幾個故障，后來這給我們節省了大量時間。

圖1:測試Bp太陽能電池板，Bp380U(0至20V輸出，4A峰值功率80W)

圖2:最初的太陽能充電電路樣機，采用12V海上用深周期電池.

樣機運行良好，因此我購買了幾塊凌力爾特公司的演示板，并稍作修改以使其更適合重新設計過的系統規格要求。我保持樣機作為備份和參考，同時我設計了一個新系統。我們解決了一些故障后，通過這些修改改善了原來的樣機。總之，架構設計仍然是相同的：用0至20V的太陽能電池板，以4A的恒定電流給一個12V的電池充電。

太陽能電池充電器系統設計

用這些演示板忙活幾天之后，我成功地完成了一個出現預期效果的設計，這設計將適合我們這次旅程。系統的方框圖如圖3所示，該圖顯示了一些IC和演示板功能。系統的照片如圖4所示，顯示了完整的太陽能電池板電池充電器單元。

圖3:系統設計方框圖

圖4:最終的太陽能充電器電路

視太陽的位置不同而不同，太陽能電池板最初的輸出電壓在0V到20V之間變化，那么就用一個能接受這么寬輸出范圍的穩壓器，并保持吸取低的電流(每個電池板上的輸入電流最大值都是4A)，同時調節一個固定的輸出電壓。這是在DC1198A-B演示板上用凌力爾特公司的微型模塊(μModule)DC/DC降壓-升壓型開關穩壓器LTM4607實現的。

LTM4607是一個小型LGA封裝(15mmx15mmx2.8mm)的芯片，其中包括一個復雜的降壓-升壓型DC/DC開關穩壓器所需的所有支持控制組件。復雜的開關控制電路和FET內置到微型模塊穩壓器中，從而使該器件非常容易使用。結果是僅需一個微型模塊穩壓器、電感器以及幾個電容器和電阻器就完成簡潔規則的布局。4.5V至36V的寬輸入電壓范圍至固定20V輸出(范圍為0.8V至24V)關于太陽能電池板的特性(0至20V輸出)正合適，而且該器件能加載高達5A的升壓模式和10A的降壓模式。在太陽能電池板峰值功率時，20V輸入至20V/2.5A輸出的效率是91%,而且積極利用了降壓-升壓型寬范圍輸入的好處。就這個系統設計的目的而言，輸出調節到20V,用這個輸出給LTC1435/LT1620高效率、低壓差電池充電器系統供電。

在14V穩定電壓時，LTC1435/LT1620演示板(DC133A)將充電電流控制到穩定的4A.該演示板與LT1620數據表第一頁上的應用電路類似，我將FB電阻器(110k)換成一個可變電位器，以實現輸出電壓調節，并將電池浮置電壓設置到14V.該演示板設計利用LT1620軌至軌電流檢測放大器，結合LTC1435開關穩壓器電路的高效率和低壓差能力，形成了一個效率超過95%的電池充電器，從而在4A充電電流時僅要0.5V輸入至輸出電壓差。一個到地的編程電流設置電池充電電流(4A)，該電池充電電流一直是穩定的，直到電池電壓達到預設的浮置電壓(在本文情況下為14V)為止。隨著電池達到其滿充電狀態，電路的編程將自動轉入涓流充電狀態，并就電池的輸出電壓而言緩慢降低充電電流。這減輕了由于恒定過沖電給電池造成的壓力。

一個理想二極管電路設計與DC133A充電系統的輸出串聯，利用LTC4414實現電路保護，并允許在充電電路以最小損耗運行的同時使用電池。這種自動電源通路(powerpath?)控制使外部設備能夠自由地用太陽能電池板或電池供電。當太陽能電池板功率不足時，電路自動轉為從電池吸取功率。該電路設計與LTC4414數據表第九頁上的圖2類似。LTC4414(8引線MSOp封裝)控制一個外部p溝道MOSFET,以出現接近理想的二極管功能，用于電源切換。這允許多個電源高效率進行"或"操作;在本文情況下，電源是太陽能電池板和電池。當連接一個外部設備時，電池和充電系統接受負載狀態。在無負載時，將對電池充電。因此該設計允許一起使用太陽能電池板和電池供電，同時運行電池充電過程。這一部分沒有演示板可用，因此我按照定制電路板上的應用電路進行設計。

電流檢測系統與電池串聯，利用并聯檢測電阻器測量電池的輸入充電電流和輸出放電電流，而無需斷開電路。圖3的方框圖僅說明了輸入充電電流。LTC6103(采用8引線MSOp封裝，在4V至60V范圍內工作)是一個雙路獨立電流檢測放大器，可通過外部檢測電阻器監視電流。該器件以mV為單位測量和供應電池充電和放電電流的電流比率輸出。在本文情況下，它幫助指示電池充和放了多少電量。這是一種以低功率損耗讀取電流的方法，這對保持一個高能效系統至關重要。我略微調節了LTC6103(DC1116A)演示板以實現這一點。引腳8和7分別與進入電池的電流通路+IN_A和-IN_A串聯。這將供應進入電池的充電電流。引腳6和5相互掉換后反著連接，以測量電池放電電流通路，+IN_B(引腳5)連接到-IN_A(引腳7)，-IN_B(引腳6)連接到+IN_A(引腳8)。電阻器的值以10為倍數改變和調節，以便在0.1Ω并聯檢測電阻器與電路串聯時，輸出以100mV/A變化。圖5中的萬用表顯示整個系統的結果。太陽能電池板輸出電壓是17.11V,電池電壓為12.95V,充電電流是3.58A.

圖5:萬用表顯示17.11V太陽能電池板輸出，12.95V電池充電電壓;3.58A電池充電電流

ADC和微控制器讀數

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。為了防止攜帶多個萬用表，我用一個微控制器和ADC來讀取系統的電壓值，并在一般的LCD顯示屏上顯示信息。這種方法可就電路性能供應實時數據，而無需連接幾個萬用表。我使用DC590B演示板和LTC24188信道/16信道24位ADC演示板DC571A.我的同事MarkThoren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的例子。我在LCD上得到的最后的顯示供應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：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DC590BpIC微控制器控制;用LTC2418演示板DC571ADC讀取電壓，該演示板由LTM4601演示板DC1041A微型模塊降壓型穩壓器供電。

注意，DC590B演示板不是靠12V軌供電，而是靠5V軌供電。要一個降壓型穩壓器將電壓從電池的12V降低到5V.這個降壓型穩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開關穩壓器演示板DC1041A.

LTM4601是一個LGA封裝的15mmx15mmx2.8mm微型模塊DC/DC開關穩壓器，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電池供應一個穩定的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，假如我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壓器調節，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、一個串聯的電流檢測放大器LTC6103,最終進入電池;以穩定的4A電流充電。在這個設計中，由LTC2418在不同的級獲取ADC讀數，并將讀數送至由LTM4601微型模塊開關穩壓器供電的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。

圖7:運行中的整個系統設計

噴霧系統的機械設計

有了一個正常工作的太陽能充電器和穩定的12V輸出，我就準備好著手組裝噴霧系統了。去一趟五金店就得到了我要的材料：艙底污水泵、水龍帶連接器、水龍帶夾具、轉接器和噴霧系統。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。

為了實現靈活性，我安裝了一個穩壓器，該穩壓器可以接受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了水壓控制。

然后，我就可以測試我的全功能噴霧系統了。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?？刂扑盟俣群蛪毫Φ暮锰幨?，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，而不必擔心電池放電，耽誤夜間用于LED照明系統。

LED照明

隨著電源的完成，我就可以新增電路，在晚上高效率地供應照明了。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照明的新時代創造了條件。尤其是，philipsLumiledsLuxeonLED在1000mA時可以供應超過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供應零電力。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，為給噴霧系統供電做好了準備，在早午餐后，噴霧系統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報機在大量使用以后要充電，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，我新增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幾個小時，所以我們要經常給我們的無線電收發報機充電。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報機充電。

圖8:通過汽車點煙器在12Vdc時對Ham無線電收發報機充電

調試和隱患

在用樣機進行的一次初步測試中，我發現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。解決方法是，設計一個功率變化的系統，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。

因為電池板可能只供應4A的最大峰值電流，所以輸入端的這種欠流使系統閉鎖，并保持閉鎖狀態直到系統復位為止。簡單的解決方法是，當輸入電壓降至低于某個門限時，復位LTM4607微型模塊穩壓器上的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可以做到這一點。不幸的是，這個解決方法不是最佳的，因為視電池板接受的太陽光照射量的不同，會引起系統或者接通或者斷開。一個更適合的解決方法是，就太陽能電池板電壓而言，調節充電電流，這樣，4A的充電電流就隨著太陽能電池板上太陽光的照射量而變化。當太陽能電池板輸出電壓下降時，到電池的充電電流也應該下降。

我的一位同事對這個問題苦苦思索后，建議使用一個運算放大器和MOSFET來控制LTC1435上的pROG引腳。這個引腳控制充電電流輸出值，使該輸出值與從這個引腳吸出的電流值成比例。運放跟蹤太陽能電池板的電壓，視電池板電壓值的不同而不同，調節MOSFET的Rds-on并控制電流。當電池板電壓是最大值時，運放控制MOSFET至完全接通，從而允許吸出最大電流，并供應4A充電電流。當電池板電壓較低時，充電電流也應該較低，以保持合適的功率輸出。我迅速新增了一個采用LT1006運算放大器的電路，附在DC133A演示板上。我的時間不夠了，而且仍然在琢磨偏置MOSFET上的電阻器、以實現最大充電電流。我的一個朋友建議我使用一個可變電位器，來快速解決電流偏置問題，而不再計算電流和電阻。當太陽能電池板電壓達到10V的中間點時，我要將充電電流降低一半。在最大值20V時，充電電流應該是4A.他建議我設置電位器，以在太陽能電池板電壓為20V的測試中，供應最大電流，并在緩慢調節電位器至2A充電電流而不閉鎖的同時，將電壓降至10V.這個建議起了用途，當太陽能電池板輸出下降時，電路不再閉鎖了。該系統最大限度地充分利用了太陽光，而不管處于一天的什么時間。

結果順利完成活動并返家

我們的系統和演示板在沙漠中存活下來，經受了沙塵暴、酷熱和干燥環境以及100?F的太陽暴曬。電池支撐住了，沒有發生故障。LED燈上覆蓋了厚厚一層干鹽湖灰塵，但是仍然足夠有效，發出足夠亮的光，讓我們能收拾東西。我們離開時是午夜，所以這些燈是最后收拾的。噴霧系統的表現值得贊賞，當我們要躲避炎熱時，噴霧系統就噴出一層宜人的涼水。營地(圖9)涼爽、舒服，是我們在沙漠中逗留4天的家。這套系統回到家時完好無損，功能正常，明年還可以再用。

圖9:在營地的太陽能電池板利用凌力爾特公司的演示板給電池充電