一种太阳能电池板电池充电器设计全过程

　　ADC 和微控制器读数

　　我决定，每次检查电路是否正常运行时不使用电压表，因为电压表在沙漠中难以携带。为了避免携带多个万用表，我用一个微控制器和 ADC 来读取系统的电压值，并在一般的 LCD 显示屏上显示信息。这种方法可就电路性能提供实时数据，而无需连接几个万用表。

　　我使用 DC590B 演示板和 LTC2418 8信道 / 16 信道 24 位 ADC 演示板 DC571A.我的同事 Mark Thoren 给了我 PIC 微控制器的嵌入式源代码样本，我微调了这个源代码样本，以跨 LTC2418 上 ADC 的不同通道对电压采样，并以可接受的分辨率、准确地读出 mV 范围的电压值。既然基准电压的最大范围是 2.5V,那么我用一种电压分压器方法来按比例将电压降低到 mV 范围，以在 ADC 上实现正确的测量。通道连接到单个有关的输入和输出电压上，包括电流检测电压。这么做非常成功，无需多个万用表。图 6 是一个有关这个 LCD 显示屏的全功能系统的例子。我在 LCD 上得到的最后的显示提供了有关以下电压的信息：变化的太阳能电源电压 Vs、充电电路电压 Vc、电池电压 Vb、以及电池上的输入充电/放电电流 C 和 D.在本文情况下，是"C",它在充电。放电时，程序将改变到"D".

图 6:LCD 读数：Vs （太阳能电池板电压）；Vc （充电电路电压）；Vb （电池电压）；C = 充电电流 （4.3A），

用DC590B PIC 微控制器控制；用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 读取电压，该演示板由 LTM4601 演示板 DC1041A 微型模块降压型稳压器供电。

　　注意，DC590B 演示板不是靠 12V 轨供电，而是靠 5V 轨供电。需要一个降压型稳压器将电压从电池的 12V 降低到 5V.这个降压型稳压器将必须是高效率的，因为电源将来自太阳能电池板和电池，我不想因运行 LCD 显示屏和微控制器而耗费大量功率。我使用 LTM4601 微型模块 DC/DC 开关稳压器演示板 DC1041A.

　　LTM4601 是一个 LGA 封装的 15mm x 15mm x 2.8mm 微型模块 DC/DC 开关稳压器，在 12A 最大负载电流时，输入为 4.5V 至 20V,输出为 0.6V 至 5V.LTM4601 的设计使得非常容易从 12V 电池提供一个稳定的 5V 输出。该微型模块包括所有控制支持组件，如电阻器、电容器、MOSFET 和电感器。在这个系统中，效率大约为 90%,使用最小的电池电流，极大地延长了电池寿命。更容易的是，输出电压用一个电阻器设置，如果我需要一个不同的电压轨 （例如 3.3V、2.5V、1.8V、1.5V 和 1.2V），那么在演示板上用一条跨接线可以非常容易地改变这个输出电压。

　　总之，两块 BP 太阳能电池板，每块在 4A 电流时都有 0 至 20V 的输出，这两块太阳能电池板由 20V 输出的 LTM4607 降压/升压型微型模块开关稳压器调节，然后再到 14V 输入的 LTC1435/LT1620 电池充电器，通过一个理想二极管 MOSFET 控制器 LTC4414、一个串联的电流检测放大器 LTC6103,最终进入电池；以稳定的 4A 电流充电。在这个设计中，由 LTC2418 在不同的级获取 ADC 读数，并将读数送至由 LTM4601 微型模块开关稳压器供电的 DC590B 演示板微控制器，以在 LCD 上显示结果。图 7 显示正在运行的整个系统。

图 7:运行中的整个系统设计

　　喷雾系统的机械设计

　　有了一个正常工作的太阳能充电器和稳定的 12V 输出，我就准备好着手组装喷雾系统了。去一趟五金店就得到了我需要的材料：舱底污水泵、水龙带连接器、水龙带夹具、转接器和喷雾系统。水龙带长约 15 英尺，拧在转接器螺钉上，用水龙带夹具固定到水泵上，喷雾系统固定在末端，有 5 个喷雾嘴。底舱污水泵靠最大值为 12V 的电压运行，水压可以通过降低电压来控制。

　　为了实现灵活性，我安装了一个稳压器，该稳压器可以接受 12V 输入，并将输入转换成可变的 12V 输出。这要求 LTM4607 设计有降压/升压特性。该器件使用一个反馈电阻器控制输出电压。一个 50k 的可变旋钮电位器取代了电阻器，从而非常容易控制 0.8V 至 12V 的输出。还串联了一个 5.62k 的电阻器，以限制输出电压，保持输出低于 15V.该设计通过旋转一个旋钮实现了水压控制。

　　然后，我就可以测试我的全功能喷雾系统了。结果，水泵导致最大约 6A 的电池放电电流，这意味着，在峰值输出时，水泵约从每块太阳能电池板获得 4A 电流。控制水泵速度和压力的好处是，我可以将压力降到足够低，以降低电池的放电电流，并全部靠太阳能电池板运行水泵，以节省电池电量，这样做非常有效。通过这种方法，我们能够在营地全天运行喷雾系统，而不必担心电池放电，耽误夜间用于 LED 照明系统。

　　LED 照明

　　随着电源的完成，我就可以增加电路，在晚上高效率地提供照明了。LED 足够亮，可以照亮房间，这在以前是不可想象的，但是新的技术进步已经为 LED 照明的新时代创造了条件。尤其是，Philips Lumileds Luxeon LED 在 1000mA 时可以提供超过 100 流明的光。我配备了一个 LumiLED 阵列，使用 LTC3475 （16 引线 TSSOP 耐热增强型封装） 双路 1.5A 恒定电流 LED 驱动器 DC923A 演示板。它设计成用一个宽范围输入电压 （4V 至 30V） 驱动两个信道，每个信道 1.5A.12V 电池直接连接到演示板的输入，为每个通道 3 个串联的 LED 灯供电，当两个通道都接通时，总共有 6 个 LED.这些 LED 出奇地亮，用一块柔光布遮上时，足够照亮我们整个营地。晚上的放电电流全部来自电池，因为太阳能电池板夜间提供零电力。以 2A 的总放电电流，可以整晚为这些灯供电。到接近中午或偏下午时，电池再次充满电，为给喷雾系统供电做好了准备，在早午餐后，喷雾系统就可以让我们感到凉爽了。

　　用于外部设备的点烟器适配器

　　我们的通信无线电收发报机在大量使用以后需要充电，因为蜂窝电话接收不到信号。我们使用的无线电收发报机有一个汽车适配器插头，可通过点烟器充电。为了快速充电，我增加了一个连接到电池的 12V 点烟器内孔适配器，专门用于该汽车适配器插头。这证明很有用，因为电池充电一次仅持续几个小时，所以我们需要经常给我们的无线电收发报机充电。图 8 显示的是，通过连接到 12V 电池输出的点烟器给无线电收发报机充电。

图 8:通过汽车点烟器在 12Vdc 时对 Ham无线电收发报机充电

　　调试和隐患

　　在用样机进行的一次初步测试中，我发现了太阳能电池板使用的一个根本限制。太阳能电池板上变化的电压也意味着变化的电流。我在仿真一些现实世界的要素时，例如阴影遮住太阳能电池板或阳光不足，顿悟了这个问题。在一种极端情况下，在电池板上方舞动手臂都能引起系统闭锁到限流值上，这令人担忧。当阳光变化使输出电压下降时，样机的电流模式架构使系统从太阳能电池板吸取更多电流，这是非常合乎情理的，因为功率反映的是电流与电压之间的关系，电压下降时，电流会上升，以达到同样的功率值。解决方案是，设计一个功率变化的系统，因为视阳光在太阳能电池板上照射量的不同而改变，输入电压和输入电流会变化。

　　因为电池板可能只提供 4A 的最大峰值电流，所以输入端的这种欠流使系统闭锁，并保持闭锁状态直到系统复位为止。简单的解决方案是，当输入电压降至低于某个门限时，复位 LTM4607 微型模块稳压器上的 RUN 引脚。当电池板电压下降时，用一个带设定基准电压的比较器去触发可以做到这一点。不幸的是，这个解决方案不是最佳的，因为视电池板接受的太阳光照射量的不同，会引起系统或者接通或者断开。一个更适合的解决方案是，就太阳能电池板电压而言，调节充