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(shù)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(shù)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(fā)了一款太陽能電池控制器NCP1294，用來實現(xiàn)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(yōu)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(jù)環(huán)境條件來調節(jié)，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?；贜CP1294的參考設計最大功率點追蹤誤差小于5%，可以為串聯(lián)或并聯(lián)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(tǒng)的核心是功率段，它必須承受12 V至60 V的輸入電壓，并產(chǎn)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(jù)功率需求的增加隔離拓撲結構。電池充電狀態(tài)的管理是由適當?shù)某潆娝惴ㄍ瓿傻摹Ｌ柲茈姵匕灏惭b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?？刂破饔袃蓚€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(tài)，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(jīng)驗的現(xiàn)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(tài)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(huán)境條件，以保持控制器接近最大功率點。動態(tài)MPPT用在系統(tǒng)發(fā)生改變的情況下。由于每個開關周期都在發(fā)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(tài)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(chǎn)生的誤差信號來調節(jié)占空比。動態(tài)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(wěn)壓轉換器的電壓和電流

　　前饋電壓模式控制

　　在傳統(tǒng)電壓模式控制中，斜坡信號有一個固定的上升和下降斜率。反饋信號僅來自輸出電壓。因此，電壓模式控制線路穩(wěn)壓效果較差，且具有音頻易感性。前饋電壓模式控制源于斜坡信號輸入線路。因此，斜坡的斜率隨輸入電壓而變化。前饋功能也可以提供一個伏秒鉗位，這就限制了輸入電壓和導通時間的最大乘積值。電路中的鉗位電路，如正激和反激式轉換器可用來防止變壓器飽和。NCP1294太陽能充電控制器應用設計流程

　　當選擇太陽能控制器拓撲結構時，重要的是要了解轉換器的基本操作及其局限性。選擇的拓撲結構是非反相四開關非同步降壓-升壓拓撲結構。轉換器利用來自NCP1294的控制信號運行，Q1和Q2同時導通為L1充電。四開關降壓-升壓拓撲結構如圖3所示，其中的電感器用來控制電壓和電流。

　　圖3：四開關降壓-升壓拓撲結構

　　四開關非反相降壓-升壓有兩種操作模式，即降壓模式和降壓-升壓模式。在降壓模式下，轉換器產(chǎn)生輸入電壓脈沖，它經(jīng)過LC濾波來產(chǎn)生一個較低的直流輸出電壓。輸出電壓可以通過修改相對于開關周期或開關頻率的導通時間來改變。

　　如果輸出電壓可能達到1％至89％，太陽能控制器即運行在降壓模式。如果由于占空比的限制而無法達到該輸出電壓，它會切換到降壓-升壓模式，此時即可達到該輸出電壓。從89％到較低占空比的變化，如圖4所示。

　　圖4：多個電池降壓和升壓模式之間的傳遞比

　　需要注意的是，當轉換器模式從降壓到降壓-升壓切換時，誤差信號將需要一段時間來改變占空比。模式的瞬時變化將使降壓-升壓轉換器試圖在89％占空比進行切換，并試圖轉換至47%；這會導致轉換器試圖在失衡區(qū)（trade over region）輸出130 V的結果。NCP1294通過脈沖電流限制器提供了一個脈沖，可以阻止轉換器能量達到危險的程度，在占空比條件下實現(xiàn)緩和過渡。