光伏电能蓄集的单芯片解决方案

可提供多少功率?

用光伏电池可产生多少功率取决于多种因素。电池的输出功率与投射到电池上的光强度、电池的总面积以及电池的效率成正比。大多数光伏电池都规定在完全直射的太阳光 (1000W/m2) 下使用，但是在大多数应用中，不可能有这么理想的条件。就依靠太阳光工作的设备来说，可从电池获得的峰值功率可能非常容易变化，由于天气、季节、烟雾、灰尘和太阳光入射角的变化，今天与明天相比有可能相差10倍。在充足的太阳光照下，晶体电池视电池特性的不同而有所不同，典型输出功率约为每平方英寸 40mW。面积为几平方英寸的光伏电池足够给多个远程传感器供电以及给电池涓流充电了。

相比之下，靠室内照明光工作的设备可用能量要少得多。常见的室内照明光的强度约为充足太阳光的0.25%(室内照明光强度与太阳光强度的巨大差别难以察觉，因为人眼能适应很宽的光照强度范围)。室内应用可用的光照量低得多，因此呈现了一些设计上的挑战。即使面积为4平方英寸的大型高效率晶体电池，在典型办公室照明条件下，也仅能产生860μW功率。

选择最大功率点控制电压

图4显示了LTC3105 使用的最大功率点控制机制的模型。图3显示了光伏电池的功率曲线。请注意，当电池电压上升而离开峰值功率点时，光伏电池的功率就会从峰值点急剧下降。因此，一般更希望低于理想值而不是高于理想值的控制电压，因为功率曲线在高压端下降得更快。

当选择MPPC跟踪电压时，各种不同的工作条件都必须考虑。一般情况下，最大功率点不会随着照明条件的变化而显着移动。因此，有可能做到的是，选择一个跟踪电压，以在很宽的照明强度范围内，保持靠近最大功率点工作。即使在极端照明情况下，工作点可能不是准确地位于最大功率点上，输出功率相比理性情况的降低通常也仅为5%～10%。

就图5所示功率曲线而言，0.4V的MPPC电压在两种极端照明条件下都产生接近最大功率点的性能。在这两种情况下，与最大功率点之间的电压差约为20mV，从而产生了不到3%的功率损失。

作为一个经验法则，最大功率点控制电压应该约为光伏电池开路电压的75%～80%。让电池跟踪这样的电压，所产生的电池输出电流为短路电流的75%～80%。

在室外照明情况下给锂离子电池充电

使用光伏电源的应用面临的挑战之一是，在黑暗和光照量较低的情况下，输入功率不足。就大多数应用而言，这种挑战使得有必要使用能量存储组件，例如足够大的超级电容器或可再充电电池，以在最长预期黑暗时间内也能正常供电。

利用图6所示的LTC3105电路和一个2英寸×1英寸的多晶光伏电池给锂离子电池充电，所测得的充电电流曲线如图7所示。图7中上面的曲线显示，在天气晴朗、阳光充足的典型情况下的充电电流;下面的曲线则显示，在阴云密布时观察到的充电电流。即使在这类光照量很低的情况下，在整个白天也能保持250μA或更大一些的充电电流，这相当于给电池提供了总共 6mAh 的充电。

选择合适的能量存储器件

就储存收集的能量而言，有很多可选方案，包括种类繁多的可再充电电池技术和高能量密度电容器。没有一种技术能适用于所有应用。为应用选择存储组件时，要考虑很多因素，包括自放电速率、最大充电和放电电流、电压灵敏度和周期寿命。

在光伏应用中，自放电速率尤其重要。在大多数光伏电源应用中，可用充电电流都很有限，高的自放电速率可能消耗大部分来自光伏电源的可用能量。有些能量存储组件 (例如大型超级电容器)自放电电流也许超过100μA，这又可能显着减少白天充电周期积累的净电荷。

另一个关键考虑因素是能量存储器件的充电速率。例如，最大充电电流为300μA的锂离子币形电池需要在电池和 LTC3105输出之间有一个大的电阻器，以防止过流情况。这可能限制能收集的能量，从而减少可用于应用的能量。

在很多情况下，充电速率与另一个重要因素“周期寿命”成正比。存储组件的周期寿命决定该组件不用维护可以在现场工作多长时间。一般而言，更快的充电和放电会缩短组件的工作寿命。超级电容器拥有非常长的周期寿命，而用相对较高的电流(电荷》1C)给电池充电会缩短寿命。除了充电和放电速率，每个充电/放电周期的深度也可能影响电池寿命，周期越深，寿命越短。

某些类型的电池，尤其是锂离子电池和薄膜电池，最高和最低电压都必须仔细控制。在LTC3105应用中，最高充电电压得到了良好控制，因为当输出进入稳定状态后，转换器终止充电。为了防止过充电，LTC3105可与LTC4071并联电池充电器一起使用，如图8所示。

结论

LTC3105是一款完整的单芯片解决方案，适用于从低成本、单节光伏电池收集能量。其集成的最大功率点控制和低压启动功能允许直接用单节光伏电池工作，并确保最佳能量抽取。LTC3105可用来直接给电路供电，或给能量存储器件充电，以允许在黑暗或光照很少时工作。LTC3105使其有可能实现自主远程传感器节点、数据收集系统，以及其他要求不依赖电网和最低限度维护的应用。