太陽能充電設計技巧及注意事項

最近幾年，使用電池供電的小型設備發展迅速，例如：平板電腦、掌上游戲機、視頻播放器、數字相框等。一般而言，這些設備都使用可再充鋰離子 （Li-Ion） 電池作為電源。一些常見的充電解決方案包括墻上適配器類充電器和通用串行總線 （USB） 類充電器。盡管這些充電器解決方案是為鋰離子電池充電的一種低成本的解決方案，但是這些充電器也都存在一個共同的缺點：依靠主電源才能工作運行。這種對主電源的依賴性增加了用戶的電費開銷，同時也增加了溫室氣體排放。而且由于對主電源有依賴性，這些充電解決方案的便攜性也大打折扣。要想以一種有益環境的方式來延長電池使用時間，利用太陽能板收集自然光能量的太陽能充電器或許是一種理想的方案。太陽能充電器的另一個好處是它提供了一種可移動的充電解決方案。

　　本文中，我們將對開發太陽能充電解決方案過程中一些重要的考慮因素進行說明。需要考慮這些因素的主要原因是：隨著光照環境不同，電壓和電流也隨之變化，那么太陽能電池板就會成為一個高輸出阻抗電源。而墻上電源適配器或者USB電源均為低輸出阻抗電源，具有預先規定好的輸出電壓和電流。我們要討論的太陽能充電解決方案中需要重點關注的因素包括：最大功率點跟蹤 （MPPT）、反向漏電保護、充電終止方法技巧以及太陽能板崩潰保護等。

　　最大功率點跟蹤

　　最大功率點（MPP）是能夠獲得最大功率的太陽能電池工作區域［1］。圖1中的曲線圖表明了該區域。該曲線圖顯示了典型輸出電流與輸出功率同MPP雙節太陽能電池板電壓曲線的對比關系。曲線上的MPP很明顯，因為它是對應于太陽能電池板最大功率輸出的電壓和電流。MPP與環境溫度和光線有關，因此會隨時間而變化。這表明，利用太陽能電源的充電器必須具有相應的電路，以隨環境條件變化不斷跟蹤MPP.MPPT方案種類繁多，包括簡單的開環技術（電池板電壓維持在固定開電路電壓）和復雜的微控制器類技術（測量輸入和輸出功率，然后正確調節電池板電壓）。

　　圖1：輸出電流和輸出功率為雙節太陽能電池板電壓的函數

　　正確選擇充電解決方案的MPPT方案，需要在成本和效率之間做出折中，并且應視具體應用而定。

　　反向漏電保護

　　反向漏電是電池中存儲的電荷丟失并返回至電源的一種現象。電池電壓高于電源時出現反向漏電現象。出現這種現象時，電源便成為電池的負載，不再對電池充電。使用墻上電源適配器或者USB電源時不會出現這種狀態，因為這兩種電源的電壓輸出始終保持在鋰離子電源電壓之上。使用太陽能電池板時，太陽能板的電壓會在光照不足的情況下降低至電池電壓以下。圖2a顯示了一個連接至電池的USB電源充電器原理圖。當開關S1關閉時，電源從電池斷開，電池無電流。使用太陽能電池板時，如果使用相同的布局，則如果太陽能板電壓降至電池電壓以下時開關體二極管開啟。解決這種問題的一種常用方法是使用背靠背式開關，如圖2b所示。

　　圖2a：顯示電源開關的USB型充電器原理圖

　　圖2b：顯示背靠背式電源開關的太陽能板型充電器原理圖