太陽能供電的降溫設備、電池充電器和LED照明系統(tǒng)“你不記得去年天氣有多熱嗎”DEV提醒我?！拔覀冃枰恍┦刮覀儧鏊臇|西。噴霧系統(tǒng)會讓我們感到?jīng)隹?。噴水可以使溫度降?0度”DOUG突然大聲說道。這就是我們?yōu)闇蕚鋮⒓?009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(huán)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(tǒng)而讓人涼快的解決方案，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(xiàn)。噴霧系統(tǒng)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，或者給其它需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(guī)格為，在80W最大功率時，電壓為176V，電流為455A。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(tǒng)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(jié)省了大量時間。圖1測試BP太陽能電池板，BP380U0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(tǒng)規(guī)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(tǒng)。我們解決了一些故障后，通過這些修改改善了原來的樣機?？傊?，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(tǒng)設計用這些演示板忙活幾天之后，我成功地完成了一個產(chǎn)生預期效果的設計，這設計將適合我們這次旅程。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(jié)一個固定的輸出電壓。這是在DC1198AB演示板上用凌力爾特公司的微型模塊MODULEDC/DC降壓升壓型開關穩(wěn)壓器LTM4607實現(xiàn)的。LTM4607是一個小型LGA封裝15MMX15MMX28MM的芯片，其中包括一個復雜的降壓升壓型DC/DC開關穩(wěn)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(wěn)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(wěn)壓器、電感器以及幾個電容器和電阻器就完成簡潔規(guī)則的布局。45V至36V的寬輸入電壓范圍至固定20V輸出范圍為08V至24V對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/25A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(tǒng)設計的目的而言，輸出調節(jié)到20V，用這個輸出給LTC1435/LT1620高效率、低壓差電池充電器系統(tǒng)供電。在14V穩(wěn)定電壓時，LTC1435/LT1620演示板DC133A將充電電流控制到穩(wěn)定的4A。該演示板與LT1620數(shù)據(jù)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(xiàn)輸出電壓調節(jié)，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(wěn)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充電電流時僅需要05V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(wěn)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(tài)，電路的編程將自動轉入涓流充電狀態(tài)，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(tǒng)的輸出串聯(lián)，利用LTC4414實現(xiàn)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(shù)據(jù)表第九頁上的圖2類似。LTC44148引線MSOP封裝控制一個外部P溝道MOSFET，以產(chǎn)生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(tǒng)接受負載狀態(tài)。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(tǒng)與電池串聯(lián)，利用并聯(lián)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(jiān)視電流。該器件以MV為單位測量和提供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(tǒng)至關重要。我略微調節(jié)了LTC6103DC1116A演示板以實現(xiàn)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(lián)。這將提供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(shù)改變和調節(jié)，以便在01并聯(lián)檢測電阻器與電路串聯(lián)時，輸出以100MV/A變化。圖5中的萬用表顯示整個系統(tǒng)的結果。太陽能電池板輸出電壓是1711V，電池電壓為1295V，充電電流是358A。圖5萬用表顯示1711V太陽能電池板輸出，1295V電池充電電壓；358A電池充電電流ADC和微控制器讀數(shù)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。為了避免攜帶多個萬用表，我用一個微控制器和ADC來讀取系統(tǒng)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提供實時數(shù)據(jù)，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25V，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(xiàn)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(tǒng)的例子。我在LCD上得到的最后的顯示提供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6LCD讀數(shù)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43A，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(wěn)壓器供電。注意，DC590B演示板不是靠12V軌供電，而是靠5V軌供電。需要一個降壓型穩(wěn)壓器將電壓從電池的12V降低到5V。這個降壓型穩(wěn)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(wěn)壓器演示板DC1041A。LTM4601是一個LGA封裝的15MMX15MMX28MM微型模塊DC/DC開關穩(wěn)壓器，在12A最大負載電流時，輸入為45V至20V，輸出為06V至5V。LTM4601的設計使得非常容易從12V電池提供一個穩(wěn)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(tǒng)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，如果我需要一個不同的電壓軌例如33V、25V、18V、15V和12V，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?？傊?，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(wěn)壓器調節(jié)，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(lián)的電流檢測放大器LTC6103，最終進入電池；以穩(wěn)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(shù)，并將讀數(shù)送至由LTM4601微型模塊開關穩(wěn)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(tǒng)。圖7運行中的整個系統(tǒng)設計噴霧系統(tǒng)的機械設計有了一個正常工作的太陽能充電器和穩(wěn)定的12V輸出，我就準備好著手組裝噴霧系統(tǒng)了。去一趟五金店就得到了我需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(tǒng)。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(tǒng)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(xiàn)靈活性，我安裝了一個穩(wěn)壓器，該穩(wěn)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08V至12V的輸出。還串聯(lián)了一個562K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(xiàn)了水壓控制。然后，我就可以測試我的全功能噴霧系統(tǒng)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。控制水泵速度和壓力的好處是，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(jié)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(tǒng)，而不必擔心電池放電，耽誤夜間用于LED照明系統(tǒng)。LED照明隨著電源的完成，我就可以增加電路，在晚上高效率地提供照明了。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(jīng)為LED照明的新時代創(chuàng)造了條件。尤其是，PHILIPSLUMILEDSLUXEONLED在1000MA時可以提供超過100流明的光。我配備了一個LUMILED陣列，使用LTC347516引線TSSOP耐熱增強型封裝雙路15A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15A。12V電池直接連接到演示板的輸入，為每個通道3個串聯(lián)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提供零電力。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(tǒng)供電做好了準備，在早午餐后，噴霧系統(tǒng)就可以讓我們感到?jīng)鏊?。用于外部設備的點煙器適配器我們的通信無線電收發(fā)報機在大量使用以后需要充電，因為蜂窩電話接收不到信號。我們使用的無線電收發(fā)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，我增加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(xù)幾個小時，所以我們需要經(jīng)常給我們的無線電收發(fā)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(fā)報機充電。圖8通過汽車點煙器在12VDC時對HAM無線電收發(fā)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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。解決方案是，設計一個功率變化的系統(tǒng)，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。因為電池板可能只提供4A的最大峰值電流，所以輸入端的這種欠流使系統(tǒng)閉鎖，并保持閉鎖狀態(tài)直到系統(tǒng)復位為止。簡單的解決方案是，當輸入電壓降至低于某個門限時，復位LTM4607微型模塊穩(wěn)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(fā)可以做到這一點。不幸的是，這個解決方案不是最佳的，因為視電池板接受的太陽光照射量的不同，會引起系統(tǒng)或者接通或者斷開。一個更適合的解決方案是，就太陽能電池板電壓而言，調節(jié)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(jié)MOSFET的RDSON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，并提供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。我迅速增加了一個采用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(xiàn)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，我需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