安森美半導體NCP1294太陽能充電控制器及其設計要點

　　眾所周知，太陽能電池板有一個IV曲線，它表示該太陽能電池板的輸出性能，分別代表著電流電壓數值。兩條線的交叉點表示的電壓電流就是這塊太陽能電池板的功率。不利的是，IV曲線會隨輻照度、溫度和使用年限而變化。輻照度是給定表面輻射事件的密度，一般以每平方厘米或每平方米的瓦特數表示。如果太陽能電池板沒有機械式陽光追蹤能力，一年中輻照度會隨著太陽的移動變化約±23度。此外，每天從地平線到地平線太陽移動的輻照度變化，可導致輸出功率在一整天的變化。為此，安森美半導體開發了一款太陽能電池控制器NCP1294，用來實現太陽能電池板的最大峰值功率點跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。本文將介紹該器件的一些主要功能和應用時需要注意的問題。

增強型電壓模式PWM控制器
　　NCP1294是一款固定頻率電壓模式PWM前饋控制器，包含電壓模式運作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓撲結構的充電控制器，NCP1294針對高頻初級端控制操作進行了優化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高達140 W的太陽能板。這款器件提供的MPPT功能能夠定位最大功率點，并實時根據環境條件來調節，使控制器保持接近最大功率點，從而從太陽能板析取最大的電量，提供最佳的能效。
　　
　　此外，NCP1294還具有軟啟動、精確控制占空比限制、低于50 μA的啟動電流、過壓和欠壓保護等功能。在太陽能應用中，NCP1294可以作為一種靈活的解決方案，用在模塊級電源管理（MLPM）解決方案。基于NCP1294的參考設計最大功率點追蹤誤差小于5%，可以為串聯或并聯的四個電池充電。圖1是NCP1294 120 W太陽能控制器框圖。

圖1：安森美半導體的NCP1294 120 W太陽能控制器框圖
　　
　　
　　如圖1所示，該系統的核心是功率段，它必須承受12 V至60 V的輸入電壓，并產生12 V至36 V的輸出。由于輸入電壓范圍覆蓋了所需的輸出電壓，必須有一個降壓-升壓拓撲結構來支持應用。設計人員可以選擇多種拓撲結構：SEPIC、非反相降壓-升壓。反激式、單開關正激、雙開關正激、半橋、全橋或其他拓撲結構。
　　
　　設計工作包括根據功率需求的增加隔離拓撲結構。電池充電狀態的管理是由適當的充電算法完成的。太陽能電池板安裝技師可以選擇輸出電壓和電池充電速率。由于控制器要連接到太陽能電池板，它必須具有最大功率點跟蹤，為最終客戶提供高價值。控制器有兩個正使能(Enable)電路，一個電路檢測黑夜時間，另一個檢測電池的充電狀態，使外部電路不會使電池對損壞點放電。由于控制器將由不同程度經驗的現場技術人員和新手安裝，因此重要的是輸入和輸出必須有反向極性保護。另外，控制器和電池可能安裝在過熱或過冷的位置，控制器必須采用電池充電溫度補償。設計還應包括安全功能，如電池過壓檢測和太陽能電池板欠壓檢測。

動態MPPT工作原理
　　為了從功率可變的電源(即太陽能電池板)析取出最大的功率，太陽能控制器必須采用MPPT。MPPT必須首先找到最大功率點并及時調整環境條件，以保持控制器接近最大功率點。動態MPPT用在系統發生改變的情況下。由于每個開關周期都在發生變化，太陽能電池板汲取的功率也會在每個周期有明顯的改變。動態MPPT利用太陽能電池板的電壓驟降乘以每個開關周期增加的電流，以確定將要產生的誤差信號來調節占空比。動態響應可檢測IV曲線的斜率，從而建立一個功率斜坡，從誤差信號相交點建立一個代表占空比的功率。當斜坡變化斜率從正到負時該周期結束，如圖2所示。

圖2：PWM穩壓轉換器的電壓和電流