用太陽能電池為鎳鎘或鎳氫電池充電。該電路從太陽能電池陣列中提取最大功率，為電池組充電。它采用MAX856升壓轉(zhuǎn)換器和MAX982雙通道比較器作為基準(zhǔn)。

作為一種電源，太陽比典型的電池具有一些令人印象深刻的優(yōu)勢：它產(chǎn)生幾乎無限的能量，不需要充電，預(yù)計還能再持續(xù)五十億年左右。今天更高效，更便宜的太陽能電池提供了一種實用的方法，可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能來運(yùn)行我們的小工具和gismos（見附錄，從光子到電子）。在這張陽光明媚的圖片中，唯一的云是......好吧，云。由于它們經(jīng)常遮擋太陽，因此很難設(shè)計出能夠可靠地提供電力的系統(tǒng)。

典型單晶硅太陽能電池的輸出電流直接取決于入射陽光的量（圖 1）。例如，典型的愛好級信用卡大小的硅電池具有0.55V的開路電壓。當(dāng)您從電池中汲取電流時，內(nèi)阻會導(dǎo)致電壓降;但是，當(dāng)光能降至支持輸出負(fù)載所需的水平以下時，電池電流限制在幾乎恒定的電壓。對于一個全太陽的光照水平（太陽輻照度為1kW / m2），電池提供0.3A的典型短路電流。

圖1.太陽能電池的可用電流輸出與入射光能量成正比，但電池的開路電壓幾乎是恒定的。

最大輸出功率出現(xiàn)在從恒壓到恒流的轉(zhuǎn)換時，通常為0.484V，在一個完整的太陽下為0.25至0.275A。對于大多數(shù)應(yīng)用來說，這個0.484V太低了，因此太陽能電池板通常以串聯(lián)/并聯(lián)組合的方式連接電池，在大約12V時提供幾安培的電流。這樣的輸出對于許多應(yīng)用都很有用，假設(shè)只要應(yīng)用處于活動狀態(tài)，就可以獲得充足的陽光。不幸的是，在大多數(shù)地方很難實現(xiàn)這一要求。變化的陽光對開路電壓的影響較小，但對最大可用電流有直接影響（圖 1）。該特性對于設(shè)計可在任何給定時間優(yōu)化可用功率使用的電子設(shè)備至關(guān)重要。

大多數(shù)應(yīng)用包括中間儲能設(shè)備，例如可充電鉛酸或鎳鎘（NiCd）電池，以確保始終可用的電源。當(dāng)光線充足時，太陽能電池為電池充電，然后為負(fù)載提供穩(wěn)定的電源。直接從太陽能電池板（通過串聯(lián)二極管）為電池充電是困難的，或者至少效率低下，因為電池電壓隨著電池充電而變化很大。

從太陽能電池板獲取所有可用能量除了電池外，還需要開關(guān)模式升壓或降壓轉(zhuǎn)換器和電池充電器。轉(zhuǎn)換器必須確保從太陽能電池板獲取的每一點能量都有效地存儲在電池中以備將來使用。開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器工作在兩個周期內(nèi)。它首先將電感器連接到電源，從而允許電感電流的積累，從而將能量存儲在電感器中。在第二個周期中，電流路徑的變化使電感器能夠?qū)⑵淅鄯e的能量傳遞到負(fù)載。負(fù)載電壓可以高于或低于電感器電源的負(fù)載電壓。

將電感器直接連接到太陽能電池板效率低下。根據(jù)光照水平，面板的輸出電流能力范圍從微安到幾安培不等。更好的方法是將儲能電容器連接到太陽能電池板。通過監(jiān)視該電容器上的電壓，只有在面板輸出最佳時，即0.484V乘以面板中串聯(lián)電池（列）的數(shù)量，才能打開開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器。該輸入足以啟動轉(zhuǎn)換器，電容為電感電流提供低阻抗路徑。此外，該電容器支持轉(zhuǎn)換器工作的完整周期，而不允許轉(zhuǎn)換器的輸入電壓降至其工作電壓以下。當(dāng)電容器電壓降至預(yù)定水平（轉(zhuǎn)換器的最低工作電壓或更高）以下時，轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，直到電容器再次充電至最佳電壓。

在圖2中，具有遲滯的比較器控制轉(zhuǎn)換器的關(guān)斷引腳。只要儲能電容器的電壓低于太陽能電池板的最佳負(fù)載電壓（0.484V乘以串聯(lián)電池數(shù)），轉(zhuǎn)換器就處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)電容電壓達(dá)到此最佳負(fù)載電壓時，轉(zhuǎn)換器使能，直到電容電壓下降到比較器遲滯帶的下限。

圖2.用于太陽能電池板功率轉(zhuǎn)換的DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入包括面板、儲能電容器和比較器/基準(zhǔn)電路，該電路僅在足夠功率可用時使能轉(zhuǎn)換器。

只要電容器上有足夠的電荷，轉(zhuǎn)換器就會在突發(fā)工作，只有當(dāng)儲能電容器電壓值對所有水平的陽光都最佳時，轉(zhuǎn)換器才會為電池充電。實際上，太陽能電池板的負(fù)載（開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器）會自動調(diào)整到太陽能電池板的最佳工作區(qū)域（其V/I限制）。太陽能電池板空載電壓與電池電壓的比率決定了轉(zhuǎn)換器動作是必須升壓還是降壓。

如果太陽能電池板空載電壓（由串聯(lián)電池的數(shù)量決定）低于放電電池的電壓，請選擇升壓轉(zhuǎn)換器。如果負(fù)載下的面板電壓高于充滿電的電池電壓，請選擇降壓轉(zhuǎn)換器。否則，重新排列電池或太陽能電池的數(shù)量，以找到滿足這些條件之一的電池和太陽能電池板的組合。

降壓型轉(zhuǎn)換器在關(guān)斷期間沒有從輸入到輸出的直接路徑，但升壓配置始終具有直流路徑（通過電感和輸出二極管），包括關(guān)斷。請注意，升壓轉(zhuǎn)換器在輸出短路時沒有電流限制。太陽能電池板是限流的，因此在這種情況下主要擔(dān)心的可能是電池短路，這可能需要其他電路保護(hù)手段。

電池接口

檢查轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)會引發(fā)一些其他問題。所需的輸出電壓不是恒定的，而是取決于電池的充電條件。充電時，除非電池已經(jīng)充滿電，否則您始終希望應(yīng)用快速充電。在快速充電期間，轉(zhuǎn)換器作為電流源工作，將電感能量轉(zhuǎn)發(fā)到電池，而無需檢查輸出電壓。因此，電池的快速充電電流要求應(yīng)決定電感和FET的檢流電阻的值。

終止快速充電很困難，至少有兩個原因。達(dá)到一定的電池電壓后，上述突發(fā)轉(zhuǎn)換方案并未暗示下一個轉(zhuǎn)換周期何時發(fā)生。如果它發(fā)生在幾毫秒內(nèi)，您可能應(yīng)該停止快速充電。如果它發(fā)生在數(shù)小時或數(shù)天內(nèi)（當(dāng)陽光稀少時），則應(yīng)繼續(xù)快速充電，因為否則電池可能會在下一個周期之前很久就耗盡。另一個困難源于不頻繁的突發(fā)電流：在這種情況下，您無法檢測到零或負(fù)dV / dt。

一種適用于鉛酸和鎳鎘電池的方法是使用另一個比較器監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)電壓達(dá)到上限時禁用開關(guān)，當(dāng)電壓下降到預(yù)定水平以下時啟用開關(guān)。第三級檢測還可以使電池的浮電流（涓流）充電（圖3）。為放電的電池充電時，電路施加全快充電電流，直到電壓達(dá)到其上限。然后，電路禁用開關(guān)，直到電壓達(dá)到下一個最低（中間）限值，從而啟用涓流充電。涓流充電一直持續(xù)到電壓達(dá)到其上限（關(guān)閉開關(guān)）或下限（再次啟用快速充電）。

圖3.DC/DC 轉(zhuǎn)換器使太陽能電池板能夠為可充電電池充電 （a）。比較器生成的信號使電路能夠控制充電電流（b）。

具有遲滯的雙通道比較器控制轉(zhuǎn)換器關(guān)斷以及快速充電與涓流充電的選擇。為了防止電池在太陽能電池板電壓變?yōu)榱銜r放電，應(yīng)將比較器電路設(shè)計為不通過其電源端子或外部電阻分壓器加載電池。當(dāng)太陽能電池板電壓較低時，您可以從輸出比較器或輸入比較器控制轉(zhuǎn)換器關(guān)斷，并且此功能可能需要額外的邏輯。

圖4中的電路從七芯太陽能電池板為三節(jié)電池充電，說明了上述想法。放電時的電池電壓大于3.0V，最佳太陽能電池板輸出為2.9V（最大3.8V），因此電路需要轉(zhuǎn)換器（IC1).雙通道比較器控制關(guān)斷和充電終止。集成電路2一直接控制關(guān)斷，保持轉(zhuǎn)換器處于關(guān)斷狀態(tài)，直到太陽能電池板充電 C1至 2.9V。然后轉(zhuǎn)換器變?yōu)榛顒訝顟B(tài)，遲滯允許繼續(xù)工作，直到電壓降至2.5V以下。開啟時，轉(zhuǎn)換器提供其全部輸出電流，僅受內(nèi)部電流限制。

圖4.該電路使七節(jié)太陽能電池板能夠為三節(jié)鎳鎘電池充電。

當(dāng)電池電壓達(dá)到5.0V時，首先開始調(diào)節(jié)，但輸出比較器（IC2乙） 終止 4.6V 的充電周期。該設(shè)計不是通過控制關(guān)斷引腳來處理端接，這需要額外的邏輯，而是通過驅(qū)動3/5V選擇引腳高電平的非傳統(tǒng)方法。由于輸出為4.6V，因此選擇3V輸出（實際為3.3V）會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器關(guān)斷。同樣，比較器遲滯可確保轉(zhuǎn)換器保持關(guān)斷狀態(tài)，直到電池電壓降至4V。然后它恢復(fù)運(yùn)行，提供一種簡單的空閑充電形式，不會對電池過度充電。

由于轉(zhuǎn)換器在太陽能電池板輸出較低時關(guān)斷，因此電池放電電流（轉(zhuǎn)換器關(guān)斷電流、比較器電源電流、R7/R8電流和來自肖特基二極管的反向電流）最小。肖特基反向電流在 5°C 時典型值為 25μA，在 50°C 時為 50μA 或更高，這對于某些應(yīng)用來說太高了。對于這些，您可以替換開關(guān)二極管，例如1N4148，但代價是轉(zhuǎn)換器效率略低。應(yīng)避免輸出低于輸入，就像所有升壓轉(zhuǎn)換器一樣。在這種情況下，過載或短路的電池單元會導(dǎo)致不受控制的直流電流從太陽能電池板流經(jīng)電感器和二極管到輸出端。然而，在大多數(shù)情況下，太陽能電池板中的電流限制允許電池簡單地充電到3V，而不會損壞電感器。

太陽能電池板電壓低于低電池電壓的應(yīng)用需要升壓轉(zhuǎn)換器，而需要更多電流（或固定內(nèi)部設(shè)置確定的峰值電流以外的峰值電流）的應(yīng)用需要升壓控制器。太陽能電池板電壓高于充滿電的電池電壓的應(yīng)用需要降壓轉(zhuǎn)換器。例如，將MAX797控制器配置為電流源，內(nèi)部5V線性穩(wěn)壓器可以為外部比較器供電。該設(shè)備非常適合從兩個 12V 太陽能電池板為汽車電池充電。

這些電路和技術(shù)應(yīng)確保太陽能電池板在不可預(yù)測的天氣條件下高效充電。目標(biāo)應(yīng)用主要是中低功率，從幾瓦到100瓦。充電器電路的進(jìn)一步改進(jìn)雖然大多數(shù)鎳鎘和鉛酸電池不需要，但可以檢測電池電流并使用該信息提供具有電壓限制的恒定電流源輸出。

從光子到電子

科學(xué)家在晶體管的早期制造過程中偶然發(fā)現(xiàn)了太陽光轉(zhuǎn)化為電能，這是半導(dǎo)體pn結(jié)的另一個影響。當(dāng)來自太陽的光子撞擊硅時，它們的能量推動硅中的自由電子。通過將導(dǎo)線連接到硅芯片的頂部和底部，您可以形成一個電路，允許電子從電池頂部移動到底部（圖 A）。

圖A.太陽能電池上的光能產(chǎn)生在外部電路中流動的電荷載流子。

用能量大于硅帶隙的光子照射硅pn結(jié)會產(chǎn)生空穴-電子對。對于反向偏置結(jié)，在耗盡區(qū)的擴(kuò)散長度內(nèi)產(chǎn)生的對彼此分離，并有助于外部電路中的光電流。對于無偏置結(jié)，結(jié)內(nèi)部場中的電荷分離會在結(jié)上產(chǎn)生正向偏置。這種裝置稱為光伏電池。從太陽光中獲取電能的光伏電池稱為太陽能電池。

太陽能電池效率（光子到電子的轉(zhuǎn)換）取決于從表面反射的光的比例，到達(dá)結(jié)之前吸收的部分，以及產(chǎn)生由結(jié)分開的有用空穴 - 電子對的部分。硅通常用于商用太陽能電池，典型效率為3%至15%。

太陽能電池按其材料分類：晶體或非晶形式的硅，或化合物半導(dǎo)體，后者又根據(jù)元素周期表中的元素組（II至VI組，III至V組等）進(jìn)行分類（圖B）。

圖B.制造商用各種形式的硅和化合物半導(dǎo)體材料制造太陽能電池。

單晶硅太陽能電池的理論效率約為30%，在實驗室條件下已達(dá)到20%以上的效率。與結(jié)晶或多晶形式不同，非晶硅具有非晶體結(jié)構(gòu)，其中原子沒有規(guī)則的排列模式。非晶硅太陽能電池的效率不高，但它們需要更少的硅和更少的制造能量，制造商可以生產(chǎn)具有更大表面積的產(chǎn)品。這些屬性可能會導(dǎo)致未來廉價的非晶態(tài)太陽能電池。低成本和高效率的另一個候選者是薄膜多晶硅太陽能電池，它通過加熱非晶硅使其重結(jié)晶而形成。

科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出各種薄膜和燒結(jié)技術(shù)來支持對復(fù)合材料的研究，如CdTe和CuInSe2，作為批量生產(chǎn)太陽能電池的候選材料。這些材料的轉(zhuǎn)換效率范圍為13%至25%。

為了使太陽能電池成為其他發(fā)電方法的經(jīng)濟(jì)替代品，制造商已經(jīng)指導(dǎo)了大量的研究和改進(jìn)生產(chǎn)方法，以提高太陽能電池的效率。最近的改進(jìn)是有希望的，但到目前為止，工程師將太陽能主要用于要求適度的單一應(yīng)用：遠(yuǎn)程通信設(shè)備，航海信標(biāo)和照明，應(yīng)急電源，以及少數(shù)情況下的本地電力供應(yīng)。

審核編輯：郭婷