Jak naładować akumulator, gdy nie ma dostępu do sieci energetycznej? Z takim problemem spotykają się czasami użytkownicy urządzeń mobilnych, a możliwym rozwiązaniem są dostępne w sprzedaży ładowarki słoneczne. Są w nich stosowane scalone kontrolery ładowania akumulatorów optymalizowane pod kątem współpracy z ogniwami fotowoltaicznymi.
Rys. 1. Schemat blokowy układu SPV1040
Przykładem jest produkowany przez STMicroelectronics układ SPV1040 (rys. 1), dla którego opracowano zestaw ewaluacyjny STEVAL-ISV006V2. Układ SPV1040 to de facto przetwornica DC/DC step-up (burst) o konfiguracji przedstawionej na rys. 2, pracująca z częstotliwością 100 kHz. Napięcie wejściowe powinno mieścić się w przedziale od 0,3 do 5,5 V. Z racji zastosowań na uwagę zasługuje dolna granica tego zakresu, ponieważ parametr ten określa minimalne napięcie wejściowe potrzebne do startu i poprawnej pracy przetwornicy.
Rys. 2. Konfiguracja pracy układu SPV1040
Zaimplementowany w kontrolerze algorytm pracy MPPT (Maximum Power Point Tracking) ustala współczynnik wypełnienia przebiegu PWM przetwornicy pod kątem uzyskiwania maksimum energii z ogniwa lub baterii słonecznej. Optymalne warunki sterowania są dobierane na podstawie obserwacji napięcia ogniwa i pobieranego z niego prądu. W sytuacjach awaryjnych, takich jak przeciążenie prądowe lub przekroczenie temperatury, praca przetwornicy jest wstrzymywana. W układzie SPV1040 zintegrowano tranzystor kluczujący mocy typu MOSFET z kanałem typu N, którego rezystancja w stanie włączenia jest równa 80 mΩ i P-kanałowy MOSFET 120 mΩ pełniący funkcję synchronicznego prostownika. Ładowarka współpracuje z ogniwami polikrystalicznymi i amorficznymi (cienkowarstwowymi).
Płytka ewaluacyjna STEVAL-ISV006V2 zawiera wszystkie elementy stanowiące otoczenie układu SPV1040. Najistotniejsze dla aplikacji przebiegi można obserwować i mierzyć na wyprowadzonych na płytce punktach lutowniczych. Jednocześnie punkty te mogą być przydatne do łączenia kilku podobnych modułów. Jedną stronę płytki zajmuje bateria słoneczna składająca się z dwóch polikrystalicznych ogniw typu SZGD6535-2P. Moc maksymalna baterii jest równa 0,175 W przy sprawności przekraczającej 15%. Może być z niej pobierany prąd o maksymalnym natężeniu równym 175 mA, zaś napięcie może dochodzić do 1 V. Elektronika ładowarki umieszczona po drugiej stronie płytki umożliwia korzystanie z baterii słonecznych o mocy 200 mW (Vmp=1 V, Imp=200 mA). Napięcie wyjściowe jest regulowane potencjometrem. Aby zapewnić gwarantowaną niezawodność aplikacji przy pracy w trybie DCM (Discontinuous Mode) napięcie to powinno być ustawione na 4,8 V, chociaż górna granica regulacji to 5,3 V. Na płytce ISV006V2 zamiast akumulatora zastosowano kondensator Super Cap o pojemności 220 mF. Jest on dołączany do ładowarki za pomocą zworki, co oznacza, że napięcie wyjściowe przetwornicy może być wykorzystywane również do innych celów.
Płytkę ISV006V2 należy traktować jako wzorcową nie tylko ze względu na przyjęte w niej rozwiązania układowe. Niezwykle ważny w takich aplikacjach jest również projekt mozaiki obwodu drukowanego. Od przebiegu ścieżek zależą bowiem tętnienia napięcia i prądu. Na źle zaprojektowanej płytce mogą pojafwiać się ponadto wysokoczęstotliwościowe rezonanse, wzrasta poziom zakłóceń elektomagnetycznych. Jak zwykle, ogólnym zaleceniem jest wykonywanie możliwie najkrótszych połączeń i zachowanie odpowiedniej grubości ścieżek. Ważne jest również stosowanie płaszczyzn masy i kondensatorów wejściowych i wyjściowych. Płytka ISV006V2 została zaprojektowana zgodnie z tymi zaleceniami, i z tego względu warto podpatrywać zastosowane w niej rozwiązania.
Rys. 3. Możliwe sposoby łączenia wyjść przetwornic SPV1040
Wyjścia układów SPV1040 mogą być łączone równolegle lub szeregowo (rys. 3). Najważniejszą konsekwencją przyjętej konfiguracji jest sumowanie prądów (połączenie równoległe) lub napięć (połączenie szeregowe). Od zastosowanego typu połączeń zależą ponadto również inne cechy układu. Na przykład przy połączeniu równoległym znamionowe napięcie baterii słonecznej będzie uzyskiwane nawet wówczas, gdy któreś z ogniw znajdzie się w strefie zacienionej. Istotnym ograniczeniem tej konfiguracji jest maksymalne napięcie gwarantowane przez układ SPV1040. Przy połączeniu szeregowym, jeśli nie zostanie zastosowana dioda bocznikująca, niedoświetlenie jednego ogniwa spowoduje widoczną utratę mocy uzyskiwanej z baterii.
Płytka STEVAL-ISV006V2 jest przykładową aplikacja układu SPV1040. W praktyce jest on stosowany w takich urządzeniach jak: słuchawki bezprzewodowe, odbiorniki GPS, smartfony, przenośne odtwarzacze muzyki, zabawki itp.
