“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(huì)讓我們感到?jīng)隹臁娝梢允箿囟冉档?0度！”Doug突然大聲說道。這就是我們?yōu)闇?zhǔn)備參加2009年BurningMan活動(dòng)而碰頭兒時(shí)開始的一幕。我和3個(gè)朋友有了2008年令人驚喜的體驗(yàn)，決定再次到那個(gè)嚴(yán)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?cè)诤趲r城沙漠能舒服一些，這片沙漠在美國內(nèi)華達(dá)州里諾市北100英里的地方。

我們渴望舒服一點(diǎn)的條件是，一個(gè)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(tái)由電壓源供電、連著一個(gè)帶噴嘴的噴霧水龍帶的水泵實(shí)現(xiàn)。噴霧系統(tǒng)的成功要素是電源，這個(gè)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(shè)備充電。我們的計(jì)劃是，用太陽能電池板給一個(gè)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(shè)計(jì)。

我有3周時(shí)間完成設(shè)計(jì)。我向朋友Simon請(qǐng)求幫助，Simon以前用凌力爾特公司的IC搞過太陽能供電設(shè)計(jì)。除了一臺(tái)顯示工作原理的樣機(jī)，Simon還給了我一份原理圖，這臺(tái)樣機(jī)從未連上太陽能電池板測(cè)試過，但在實(shí)驗(yàn)室做過仿真。我很興奮，有興趣用真實(shí)的太陽能電池板測(cè)試這個(gè)設(shè)計(jì)，我們準(zhǔn)備對(duì)樣機(jī)進(jìn)行像樣的測(cè)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(shí)，每塊電池板的峰值功率都是80W（實(shí)際規(guī)格為，在80W最大功率時(shí)，電壓為17.6V,電流為4.55A）。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(shí)，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(jī)上沒有幾分鐘，系統(tǒng)就充分運(yùn)轉(zhuǎn)了（圖1和圖2）。通過對(duì)樣機(jī)的初步測(cè)試，查明了幾個(gè)故障，后來這給我們節(jié)省了大量時(shí)間。

圖1:測(cè)試Bp太陽能電池板，Bp380U（0至20V輸出，4A峰值功率80W）

圖2:最初的太陽能充電電路樣機(jī)，采用12V海上用深周期電池

樣機(jī)運(yùn)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(shè)計(jì)過的系統(tǒng)規(guī)格要求。我保持樣機(jī)作為備份和參考，同時(shí)我設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jī)。總之，架構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)12V的電池充電。

太陽能電池充電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用這些演示板忙活幾天之后，我成功地完成了一個(gè)產(chǎn)生預(yù)期效果的設(shè)計(jì)，這設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(gè)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(gè)電池板上的輸入電流最大值都是4A），同時(shí)調(diào)節(jié)一個(gè)固定的輸出電壓。這是在DC1198A-B演示板上用凌力爾特公司的微型模塊（μModule）DC/DC降壓-升壓型開關(guān)穩(wěn)壓器LTM4607實(shí)現(xiàn)的。

LTM4607是一個(gè)小型LGA封裝（15mmx15mmx2.8mm）的芯片，其中包括一個(gè)復(fù)雜的降壓-升壓型DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器所需的所有支持控制組件。復(fù)雜的開關(guān)控制電路和FET內(nèi)置到微型模塊穩(wěn)壓器中，從而使該器件非常容易使用。結(jié)果是僅需一個(gè)微型模塊穩(wěn)壓器、電感器以及幾個(gè)電容器和電阻器就完成簡(jiǎn)潔規(guī)則的布局。4.5V至36V的寬輸入電壓范圍至固定20V輸出（范圍為0.8V至24V）對(duì)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(dá)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(shí)，20V輸入至20V/2.5A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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的而言，輸出調(diào)節(jié)到20V,用這個(gè)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(shí)，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(yīng)用電路類似，我將FB電阻器（110k）換成一個(gè)可變電位器，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，并將電池浮置電壓設(shè)置到14V.該演示板設(shè)計(jì)利用LT1620軌至軌電流檢測(cè)放大器，結(jié)合LTC1435開關(guān)穩(wěn)壓器電路的高效率和低壓差能力，形成了一個(gè)效率超過95%的電池充電器，從而在4A充電電流時(shí)僅需要0.5V輸入至輸出電壓差。一個(gè)到地的編程電流設(shè)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(dá)到預(yù)設(shè)的浮置電壓（在本文情況下為14V）為止。隨著電池達(dá)到其滿充電狀態(tài)，電路的編程將自動(dòng)轉(zhuǎn)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(gè)理想二極管電路設(shè)計(jì)與DC133A充電系統(tǒng)的輸出串聯(lián)，利用LTC4414實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)，并允許在充電電路以最小損耗運(yùn)行的同時(shí)使用電池。這種自動(dòng)電源通路（powerpath?）控制使外部設(shè)備能夠自由地用太陽能電池板或電池供電。當(dāng)太陽能電池板功率不足時(shí)，電路自動(dòng)轉(zhuǎn)為從電池吸取功率。該電路設(shè)計(jì)與LTC4414數(shù)據(jù)表第九頁上的圖2類似。LTC4414（8引線MSOp封裝）控制一個(gè)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(gè)電源高效率進(jìn)行"或"操作；在本文情況下，電源是太陽能電池板和電池。當(dāng)連接一個(gè)外部設(shè)備時(shí)，電池和充電系統(tǒng)接受負(fù)載狀態(tài)。在無負(fù)載時(shí)，將對(duì)電池充電。因此該設(shè)計(jì)允許一起使用太陽能電池板和電池供電，同時(shí)運(yùn)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(yīng)用電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電流檢測(cè)系統(tǒng)與電池串聯(lián)，利用并聯(lián)檢測(cè)電阻器測(cè)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(nèi)工作）是一個(gè)雙路獨(dú)立電流檢測(cè)放大器，可通過外部檢測(cè)電阻器監(jiān)視電流。該器件以mV為單位測(cè)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(duì)保持一個(gè)高能效系統(tǒng)至關(guān)重要。我略微調(diào)節(jié)了LTC6103（DC1116A）演示板以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。引腳8和7分別與進(jìn)入電池的電流通路+IN_A和-IN_A串聯(lián)。這將提供進(jìn)入電池的充電電流。引腳6和5相互掉換后反著連接，以測(cè)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(diào)節(jié)，以便在0.1Ω并聯(lián)檢測(cè)電阻器與電路串聯(lián)時(shí)，輸出以100mV/A變化。圖5中的萬用表顯示整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)果。太陽能電池板輸出電壓是17.11V,電池電壓為12.95V,充電電流是3.58A.

圖5:萬用表顯示17.11V太陽能電池板輸出，12.95V電池充電電壓；3.58A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(yùn)行時(shí)不使用電壓表，因?yàn)殡妷罕碓谏衬须y以攜帶。為了避免攜帶多個(gè)萬用表，我用一個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，而無需連接幾個(gè)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(diào)了這個(gè)源代碼樣本，以跨LTC2418上ADC的不同通道對(duì)電壓采樣，并以可接受的分辨率、準(zhǔn)確地讀出mV范圍的電壓值。既然基準(zhǔn)電壓的最大范圍是2.5V,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(shí)現(xiàn)正確的測(cè)量。通道連接到單個(gè)有關(guān)的輸入和輸出電壓上，包括電流檢測(cè)電壓。這么做非常成功，無需多個(gè)萬用表。圖6是一個(gè)有關(guān)這個(gè)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(guān)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(shí)，程序?qū)⒏淖兊?D".

圖6:LCD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（4.3A），

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(gè)降壓型穩(wěn)壓器將電壓從電池的12V降低到5V.這個(gè)降壓型穩(wěn)壓器將必須是高效率的，因?yàn)殡娫磳碜蕴柲茈姵匕搴碗姵?，我不想因運(yùn)行LCD顯示屏和微控制器而耗費(fèi)大量功率。我使用LTM4601微型模塊DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器演示板DC1041A.

LTM4601是一個(gè)LGA封裝的15mmx15mmx2.8mm微型模塊DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器，在12A最大負(fù)載電流時(shí)，輸入為4.5V至20V,輸出為0.6V至5V.LTM4601的設(shè)計(jì)使得非常容易從12V電池提供一個(gè)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(gè)系統(tǒng)中，效率大約為90%,使用最小的電池電流，極大地延長(zhǎng)了電池壽命。更容易的是，輸出電壓用一個(gè)電阻器設(shè)置，如果我需要一個(gè)不同的電壓軌（例如3.3V、2.5V、1.8V、1.5V和1.2V），那么在演示板上用一條跨接線可以非常容易地改變這個(gè)輸出電壓。

總之，兩塊Bp太陽能電池板，每塊在4A電流時(shí)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(guān)穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，然后再到14V輸入的LTC1435/LT1620電池充電器，通過一個(gè)理想二極管MOSFET控制器LTC4414、一個(gè)串聯(lián)的電流檢測(cè)放大器LTC6103,最終進(jìn)入電池；以穩(wěn)定的4A電流充電。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，由LTC2418在不同的級(jí)獲取ADC讀數(shù)，并將讀數(shù)送至由LTM4601微型模塊開關(guān)穩(wěn)壓器供電的DC590B演示板微控制器，以在LCD上顯示結(jié)果。圖7顯示正在運(yùn)行的整個(gè)系統(tǒng)。

圖7:運(yùn)行中的整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴霧系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

有了一個(gè)正常工作的太陽能充電器和穩(wěn)定的12V輸出，我就準(zhǔn)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(zhuǎn)接器和噴霧系統(tǒng)。水龍帶長(zhǎng)約15英尺，擰在轉(zhuǎn)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(gè)噴霧嘴。底艙污水泵靠最大值為12V的電壓運(yùn)行，水壓可以通過降低電壓來控制。

為了實(shí)現(xiàn)靈活性，我安裝了一個(gè)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可以接受12V輸入，并將輸入轉(zhuǎn)換成可變的12V輸出。這要求LTM4607設(shè)計(jì)有降壓/升壓特性。該器件使用一個(gè)反饋電阻器控制輸出電壓。一個(gè)50k的可變旋鈕電位器取代了電阻器，從而非常容易控制0.8V至12V的輸出。還串聯(lián)了一個(gè)5.62k的電阻器，以限制輸出電壓，保持輸出低于15V.該設(shè)計(jì)通過旋轉(zhuǎn)一個(gè)旋鈕實(shí)現(xiàn)了水壓控制。

然后，我就可以測(cè)試我的全功能噴霧系統(tǒng)了。結(jié)果，水泵導(dǎo)致最大約6A的電池放電電流，這意味著，在峰值輸出時(shí)，水泵約從每塊太陽能電池板獲得4A電流?？刂扑盟俣群蛪毫Φ暮锰幨?，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(yùn)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(yùn)行噴霧系統(tǒng)，而不必?fù)?dān)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(shù)進(jìn)步已經(jīng)為L(zhǎng)ED照明的新時(shí)代創(chuàng)造了條件。尤其是，philipsLumiledsLuxeonLED在1000mA時(shí)可以提供超過100流明的光。我配備了一個(gè)LumiLED陣列，使用LTC3475（16引線TSSOp耐熱增強(qiáng)型封裝）雙路1.5A恒定電流LED驅(qū)動(dòng)器DC923A演示板。它設(shè)計(jì)成用一個(gè)寬范圍輸入電壓（4V至30V）驅(qū)動(dòng)兩個(gè)信道，每個(gè)信道1.5A.12V電池直接連接到演示板的輸入，為每個(gè)通道3個(gè)串聯(lián)的LED燈供電，當(dāng)兩個(gè)通道都接通時(shí)，總共有6個(gè)LED.這些LED出奇地亮，用一塊柔光布遮上時(shí)，足夠照亮我們整個(gè)營地。晚上的放電電流全部來自電池，因?yàn)樘柲茈姵匕逡归g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(shí)，電池再次充滿電，為給噴霧系統(tǒng)供電做好了準(zhǔn)備，在早午餐后，噴霧系統(tǒng)就可以讓我們感到?jīng)鏊恕?/p>

用于外部設(shè)備的點(diǎn)煙器適配器

我們的通信無線電收發(fā)報(bào)機(jī)在大量使用以后需要充電，因?yàn)榉涓C電話接收不到信號(hào)。我們使用的無線電收發(fā)報(bào)機(jī)有一個(gè)汽車適配器插頭，可通過點(diǎn)煙器充電。為了快速充電，我增加了一個(gè)連接到電池的12V點(diǎn)煙器內(nèi)孔適配器，專門用于該汽車適配器插頭。這證明很有用，因?yàn)殡姵爻潆娨淮蝺H持續(xù)幾個(gè)小時(shí)，所以我們需要經(jīng)常給我們的無線電收發(fā)報(bào)機(jī)充電。圖8顯示的是，通過連接到12V電池輸出的點(diǎn)煙器給無線電收發(fā)報(bào)機(jī)充電。

圖8:通過汽車點(diǎn)煙器在12Vdc時(shí)對(duì)Ham無線電收發(fā)報(bào)機(jī)充電

調(diào)試和隱患

在用樣機(jī)進(jìn)行的一次初步測(cè)試中，我發(fā)現(xiàn)了太陽能電池板使用的一個(gè)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(shí)世界的要素時(shí)，例如陰影遮住太陽能電池板或陽光不足，頓悟了這個(gè)問題。在一種極端情況下，在電池板上方舞動(dòng)手臂都能引起系統(tǒng)閉鎖到限流值上，這令人擔(dān)憂。當(dāng)陽光變化使輸出電壓下降時(shí)，樣機(jī)的電流模式架構(gòu)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?yàn)楣β史从车氖请娏髋c電壓之間的關(guān)系，電壓下降時(shí)，電流會(huì)上升，以達(dá)到同樣的功率值。解決方案是，設(shè)計(jì)一個(gè)功率變化的系統(tǒng)，因?yàn)橐曣柟庠谔柲茈姵匕迳险丈淞康牟煌淖儯斎腚妷汉洼斎腚娏鲿?huì)變化。

因?yàn)殡姵匕蹇赡苤惶峁?A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(fù)位為止。簡(jiǎn)單的解決方案是，當(dāng)輸入電壓降至低于某個(gè)門限時(shí)，復(fù)位LTM4607微型模塊穩(wěn)壓器上的RUN引腳。當(dāng)電池板電壓下降時(shí)，用一個(gè)帶設(shè)定基準(zhǔn)電壓的比較器去觸發(fā)可以做到這一點(diǎn)。不幸的是，這個(gè)解決方案不是最佳的，因?yàn)橐曤姵匕褰邮艿奶柟庹丈淞康牟煌?，?huì)引起系統(tǒng)或者接通或者斷開。一個(gè)更適合的解決方案是，就太陽能電池板電壓而言，調(diào)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(dāng)太陽能電池板輸出電壓下降時(shí)，到電池的充電電流也應(yīng)該下降。

我的一位同事對(duì)這個(gè)問題苦苦思索后，建議使用一個(gè)運(yùn)算放大器和MOSFET來控制LTC1435上的pROG引腳。這個(gè)引腳控制充電電流輸出值，使該輸出值與從這個(gè)引腳吸出的電流值成比例。運(yùn)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(diào)節(jié)MOSFET的Rds-on并控制電流。當(dāng)電池板電壓是最大值時(shí)，運(yùn)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(dāng)電池板電壓較低時(shí)，充電電流也應(yīng)該較低，以保持合適的功率輸出。我迅速增加了一個(gè)采用LT1006運(yùn)算放大器的電路，附在DC133A演示板上。我的時(shí)間不夠了，而且仍然在琢磨偏置MOSFET上的電阻器、以實(shí)現(xiàn)最大充電電流。我的一個(gè)朋友建議我使用一個(gè)可變電位器，來快速解決電流偏置問題，而不再計(jì)算電流和電阻。當(dāng)太陽能電池板電壓達(dá)到10V的中間點(diǎn)時(shí)，我需要將充電電流降低一半。在最大值20V時(shí)，充電電流應(yīng)該是4A.他建議我設(shè)置電位器，以在太陽能電池板電壓為20V的測(cè)試中，提供最大電流，并在緩慢調(diào)節(jié)電位器至2A充電電流而不閉鎖的同時(shí)，將電壓降至10V.這個(gè)建議起了作用，當(dāng)太陽能電池板輸出下降時(shí)，電路不再閉鎖了。該系統(tǒng)最大限度地充分利用了太陽光，而不管處于一天的什么時(shí)間。

結(jié)果順利完成活動(dòng)并返家

我們的系統(tǒng)和演示板在沙漠中存活下來，經(jīng)受了沙塵暴、酷熱和干燥環(huán)境以及100?F的太陽暴曬。電池支撐住了，沒有發(fā)生故障。LED燈上覆蓋了厚厚一層干鹽湖灰塵，但是仍然足夠有效，發(fā)出足夠亮的光，讓我們能收拾東西。我們離開時(shí)是午夜，所以這些燈是最后收拾的。噴霧系統(tǒng)的表現(xiàn)值得贊賞，當(dāng)我們需要躲避炎熱時(shí)，噴霧系統(tǒng)就噴出一層宜人的涼水。營地（圖9）涼爽、舒服，是我們?cè)谏衬卸毫?天的家。這套系統(tǒng)回到家時(shí)完好無損，功能正常，明年還可以再用。

圖9:在營地的太陽能電池板利用凌力爾特公司的演示板給電池充電