太阳能电池板电池充电器DIY制作

我们渴望舒服一点的条件是，一个基于水雾系统而让人凉快的解决方法，以克服困扰这片沙漠的干热空气。这可以用一台由电压源供电、连着一个带喷嘴的喷雾水龙带的水泵实现。喷雾系统的成功要素是电源，这个电源也可以用来给LED灯供电，以供夜间照明，或者给其它要电源的外部设备充电。我们的计划是，用太阳能电池板给一个海上用的深周期电池充电，然后用这块电池给其它所有东西供电。随即，我开始了太阳能电池板电池充电器的设计。

我有3周时间完成设计。我向朋友Simon请求帮助，Simon以前用凌力尔特公司的IC搞过太阳能供电设计。除了一台显示工作原理的样机，Simon还给了我一份原理图，这台样机从未连上太阳能电池板测试过，但在实验室做过仿真。我很兴奋，有兴趣用真实的太阳能电池板测试这个设计，我们准备对样机进行像样的测试。

一位朋友借给我两块Bp太阳能电池板（Bp380U）。在大约20V最高输出电压和4A最大输出电流时，每块电池板的峰值功率都是80W（实际规格为，在80W最大功率时，电压为17.6V，电流为4.55A）。把这两块太阳能电池板合起来，我希望在太阳光直接直射在电池板上时，在峰值条件下能有8A的总电流。太阳能电池板连接到Simon的样机上没有几分钟，系统就充分运转了（图1和图2）。通过对样机的初步测试，查明了几个故障，后来这给我们节省了大量时间。

图1：测试Bp太阳能电池板，Bp380U（0至20V输出，4A峰值功率80W）

图2：最初的太阳能充电电路样机，采用12V海上用深周期电池。

样机运行良好，因此我购买了几块凌力尔特公司的演示板，并稍作修改以使其更适合重新设计过的系统规格要求。我保持样机作为备份和参考，同时我设计了一个新系统。我们解决了一些故障后，通过这些修改改善了原来的样机。总之，架构设计仍然是相同的：用0至20V的太阳能电池板，以4A的恒定电流给一个12V的电池充电。

太阳能电池充电器系统设计

用这些演示板忙活几天之后，我成功地完成了一个出现预期效果的设计，这设计将适合我们这次旅程。系统的方框图如图3所示，该图显示了一些IC和演示板功能。系统的照片如图4所示，显示了完整的太阳能电池板电池充电器单元。

图3：系统设计方框图

图4：最终的太阳能充电器电路

视太阳的位置不同而不同，太阳能电池板最初的输出电压在0V到20V之间变化，那么就用一个能接受这么宽输出范围的稳压器，并保持吸取低的电流（每个电池板上的输入电流最大值都是4A），同时调节一个固定的输出电压。这是在DC1198A-B演示板上用凌力尔特公司的微型模块（μModule）DC/DC降压-升压型开关稳压器LTM4607实现的。

LTM4607是一个小型LGA封装（15mmx15mmx2.8mm）的芯片，其中包括一个复杂的降压-升压型DC/DC开关稳压器所需的所有支持控制组件。复杂的开关控制电路和FET内置到微型模块稳压器中，从而使该器件非常容易使用。结果是仅需一个微型模块稳压器、电感器以及几个电容器和电阻器就完成简洁规则的布局。4.5V至36V的宽输入电压范围至固定20V输出（范围为0.8V至24V）关于太阳能电池板的特性（0至20V输出）正合适，而且该器件能加载高达5A的升压模式和10A的降压模式。在太阳能电池板峰值功率时，20V输入至20V/2.5A输出的效率是91%，而且积极利用了降压-升压型宽范围输入的好处。就这个系统设计的目的而言，输出调节到20V，用这个输出给LTC1435/LT1620高效率、低压差电池充电器系统供电。

在14V稳定电压时，LTC1435/LT1620演示板（DC133A）将充电电流控制到稳定的4A.该演示板与LT1620数据表第一页上的应用电路类似，我将FB电阻器（110k）换成一个可变电位器，以实现输出电压调节，并将电池浮置电压设置到14V.该演示板设计利用LT1620轨至轨电流检测放大器，结合LTC1435开关稳压器电路的高效率和低压差能力，形成了一个效率超过95%的电池充电器，从而在4A充电电流时仅要0.5V输入至输出电压差。一个到地的编程电流设置电池充电电流（4A），该电池充电电流一直是稳定的，直到电池电压达到预设的浮置电压（在本文情况下为14V）为止。随着电池达到其满充电状态，电路的编程将自动转入涓流充电状态，并就电池的输出电压而言缓慢降低充电电流。这减轻了由于恒定过冲电给电池造成的压力。

一个理想二极管电路设计与DC133A充电系统的输出串联，利用LTC4414实现电路保护，并允许在充电电路以最小损耗运行的同时使用电池。这种自动电源通路（powerpath？）控制使外部设备能够自由地用太阳能电池板或电池供电。当太阳能电池板功率不足时，电路自动转为从电池吸取功率。该电路设计与LTC4414数据表第九页上的图2类似。LTC4414（8引线MSOp封装）控制一个外部p沟道MOSFET，以出现接近理想的二极管功能，用于电源切换。这允许多个电源高效率进行“或”操作；在本文情况下，电源是太阳能电池板和电池。当连接一个外部设备时，电池和充电系统接受负载状态。在无负载时，将对电池充电。因此该设计允许一起使用太阳能电池板和电池供电，同时运行电池充电过程。这一部分没有演示板可用，因此我按照定制电路板上的应用电路进行设计。

电流检测系统与电池串联，利用并联检测电阻器测量电池的输入充电电流和输出放电电流，而无需断开电路。图3的方框图仅说明了输入充电电流。LTC6103（采用8引线MSOp封装，在4V至60V范围内工作）是一个双路独立电流检测放大器，可通过外部检测电阻器监视电流。该器件以mV为单位测量和供应电池充电和放电电流的电流比率输出。在本文情况下，它帮助指示电池充和放了多少电量。这是一种以低功率损耗读取电流的方法，这对保持一个高能效系统至关重要。我略微调节了LTC6103（DC1116A）演示板以实现这一点。引脚8和7分别与进入电池的电流通路+IN_A和-IN_A串联。这将供应进入电池的充电电流。引脚6和5相互掉换后反着连接，以测量电池放电电流通路，+IN_B（引脚5）连接到-IN_A（引脚7），-IN_B（引脚6）连接到+IN_A（引脚8）。电阻器的值以10为倍数改变和调节，以便在0.1Ω并联检测电阻器与电路串联时，输出以100mV/A变化。图5中的万用表显示整个系统的结果。太阳能电池板输出电压是17.11V，电池电压为12.95V，充电电流是3.58A.

图5：万用表显示17.11V太阳能电池板输出，12.95V电池充电电压；3.58A电池充电电流

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。为了防止携带多个万用表，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供应实时数据，而无需连接几个万用表。

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供应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DC590BpIC微控制器控制；用LTC2418演示板DC571ADC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。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15mmx15mmx2.8mm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电池供应一个稳定的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，假如我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，我就可以新增电路，在晚上高效率地供应照明了。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，philipsLumiledsLuxeonLED在1000mA时可以供应超过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供应零电力。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。