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)?？傊?，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 （15mm x 15mm x 2.8mm） 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 LTC2418 8信道 / 16 信道 24 位 ADC 演示板 DC571A.我的同事 Mark Thoren 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淖兊健癉”。

　　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DC590B PIC 微控制器控制；用 LTC2418 演示板 DC571 ADC 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柲茈姵匕搴碗姵兀也幌胍蜻\(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 15mm x 15mm x 2.8mm 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 LED 照明的新時(shí)代創(chuàng)造了條件。尤其是，PhilipsLumileds Luxeon LED 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>