CN109842192A - 一种阵列太阳能采集电源管理电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列太阳能采集电源管理电路，包括光伏电池连接模块，滞回比较器模块，电流偏置模块，带隙基准模块，运算放大器模块，逻辑判断模块，启动电路及超级电容防过充模块。PV‑cells模块通过传输门连接PV阵列，通过滞回比较器对充电电压、参考电压进行比较，通过逻辑判断模块对充电阶段进行判断，反馈调整PV‑cells的串/并联连接方式，改变每个单位PV的工作电压，达到最大功率点追踪MPPT的效果。电流偏置模块提供稳定的电流偏置；带隙基准模块提供稳定的参考电压；启动电路及超级电容防过充模块提供启动电压及供电电压，并防止超级电容过充。本发明使PV保持最大输出功率对超级电容充电，减小了功率损耗。

Description

一种阵列太阳能采集电源管理电路

技术领域

本发明涉及光电能量采集、电源管理芯片设计领域，具体说是一种阵列太阳能采集电源管理电路。

背景技术

能量采集指的是收集环境中容易获得的少量非传统能量并将之转化为电能的过程。获取的电量可直接使用或储存下来留作未来使用。在物联网的应用中，限制传感器性能和生命周期的一个非常关键的因素是能量供应。大多数无线传感器网络节点选择干电池或者蓄电池进行能量供给，一些人倾向于降低传感器节点的功耗以延长节点的生命周期，这种方法虽然能有效延长节点的工作时间，但能量终归会耗尽。电池受限的供电能力让很多人开始利用太阳能实现传感器节点能量的自给自足，以有效延长传感器节点的生命周期。

光伏发电因其清洁、少维护、无噪音等优点而成为可再生能源的重要组成部分。光伏阵列的输出功率随天气条件的变化而变化，即太阳辐射和大气温度。因此，最大功率点跟踪(MPPT)控制从光伏阵列实时提取最大功率在光伏发电系统中是必不可少的。与传统的开关电容DC-DC转换器相比，开关电容DC-DC转换器通常通过对电容器快速充电/放电将电荷从低光伏电池(PV)电压转移至高电池电压，这导致导通和开关损耗。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过对分立的PV单元进行串/并联阵列连接的方式调整每个PV单元的工作电压，使其工作在最大功率点所对应的电压下，而后直接对超级电容进行充电。省去一般DC-DC变换器所需的开关电容或Boost电路中占用较大面积的电感，以达到PV保持最大输出功率对超级电容充电，减小功率损耗。

具体技术方案如下：

该电路通过模拟电路设计实现，包括滞回比较器模块HC，逻辑判断模块Logic，光伏电池连接模块PV-cells，电流偏置模块NBIAS，带隙基准模块BGR，运算放大器模块OP；

其中，滞回比较器模块HC和逻辑判断模块Logic组合实现电路系统中最大功率点追踪MPPT，最大功率点追踪MPPT用于为光伏电池连接模块PV-cells提供光伏电池阵列模式选择控制信号VC1-VC5；

所述的滞回比较器模块HC包括四个滞回比较器HC1-HC4，四个滞回比较器的正输入极均连接VTEST，VTEST为按比例分压后的超级电容电压，四个滞回比较器HC1-HC4的负输入极依次接OP模块输出端通过电阻R4-R1分压得到的四个临界转换参考电压值VREF1-VREF4。

所述的逻辑判断模块Logic包括一个反相器INV和三个异或门XOR1-XOR3，反相器INV的输入端连接滞回比较器HC1的输出端，异或门XOR1的输入端连接滞回比较器HC1和HC2的输出端，异或门XOR2的输入端连接滞回比较器HC2和HC3的输出端，异或门XOR3的输入端连接滞回比较器HC3和HC4的输出端。

所述的逻辑判断模块Logic中反相器INV的输出VC1、三个异或门XOR1-XOR3的输出VC2-VC4、以及滞回比较器HC4的输出VC5构成了光伏电池连接模块PV-cells的光伏电池阵列模式选择控制信号。

所述的光伏电池连接模块PV-cells用于实现对外部连接对象，即分立PV单元3×5,1×5,1×4,3×1,2×1和7个单位PV进行排列组合，组合成为3×12、4×9、5×7、6×6、7×5五种光伏电池阵列模式对超级电容进行充电；

所述的电流偏置模块为电路中HC、BGR、OP模块提供偏置电流；

所述的带隙基准模块BGR用于为运算放大器模块OP提供稳定的参考电压，BGR的输出连接至运算放大器模块OP的正输入极；

所述的运算放大器模块OP用于为滞回比较器模块提供参考电压VREF1-VREF4；

所述光伏电池连接模块PV-cells的光伏电池阵列模式选择方式如下：

当VTEST<VREF1时，VC1为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为3×12光伏电池阵列模式；

当VREF 1<VTEST<VREF2时，VC2为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为4×9光伏电池阵列模式；

当VREF 2<VTEST<VREF3时，VC3为高,光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为5×7光伏电池阵列模式；

当VREF 3<VTEST<VREF4时，VC4为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为6×6光伏电池阵列模式；

当VREF 4<VTEST时，VC5为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为7×5光伏电池阵列模式；

其中，VTEST是滞回比较器模块中与参考电压进行比较的，代表经降压处理后的超级电容上的电压。

所述的光伏电池连接模块PV-cells具体包括38个传输门TG1-TG38，3×5单元的正极接传输门TG12的输入、TG32的输入、TG38的输入端口CE1，负极接传输门TG1的输入、TG13的输入端口CE2，CE1同时接到超级电容的正端，由CE1端口对超级电容进行充电；1×5单元的正极接传输门TG1的输出、TG38的输出端口AE1，负极接传输门TG2的输入、TG37的输入端口AE2；1×4单元的正极接传传输门TG2的输出、TG3的输入、TG16的输入、TG30的输入、TG32的输出端口AD1，负极接传输门TG5的输入、TG31的输出、TG33的输入端口AD2；3×1单元的正极接传输门TG3的输出、TG12的输出、TG26的输入、TG33的输出端口CA1，负极接传输门TG11的输入、TG13的输出、TG22的输入、TG27的输入、TG29的输入端口CA2；2×1单元的正极接传输门TG4的输入、TG16的输出、TG29的输出端口BA1，负极接传输门TG19的输入、TG36的输入端口BA2；单位PV1的正极接传输门TG4的输出、TG5的输出、TG6的输入、TG7的输入、TG28的输出端口A1，负极接传输门TG8的输入、TG9的输入、TG10的输入、TG17的输入、TG18的输入、TG34的输入端口A2；单位PV2的正极接传输门TG6的输出、TG34的输出端口B1，负极接传输门TG17的输出、TG35的输入端口B2；单位PV3的正极接传输门TG7的输出、TG14的输入、TG30的输出、TG36的输出端口C1，负极接传输门TG15的输入、TG18的输出端口C2；单位PV4的正极接传输门TG8的输出、TG14的输出、TG35的输出端口D1，负极接传输门TG11的输出、TG15的输出、TG19的输出、TG20的输入、TG21的输入、TG25的输入、TG31的输入、TG37的输出端口D2；单位PV5的正极接传输门TG9的输出、TG22的输出、TG26的输出端口E1，负极接传输门TG20的输出、TG23的输入端口E2；单位PV6的正极接传输门TG10的输出、TG23的输出端口F1，负极接传输门TG21的输出、TG24的输入端口F2；单位PV7的正极接传输门TG24端口G1，负极接传输门TG25的输出、TG27的输出、TG28的输入端口G2；

当VC1为高电平时，PV-cells模块连接成3×12阵列，即编号为2、5、6、7、11、12、13、14、15、16、17、18、19、23、24、25、26、38的传输门导通，其余传输门关断；

当VC2为高电平时，PV-cells模块连接成4×9阵列，即编号为1、4、5、11、15、23、24、25、26、32、33、34、35、36、37的传输门导通，其余传输门关断；

当VC3为高电平时，PV-cells模块连接成5×7阵列，编号为1、2、4、8、12、14、15、19、23、24、26、27、28、29、30、31的传输门导通，其余传输门关断；

当VC4为高电平时，PV-cells模块连接成6×6阵列，编号为1、2、5、6、7、12、13、14、15、16、17、18、19、22、23、24、25的传输门导通，其余传输门关断；

当VC5为高电平时，PV-cells模块连接成7×5阵列，编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、17、18、19、20、21的传输门导通，其余传输门关断；

在相同的负载状态下，光伏电池的串/并联模式不同，对应每个单位光伏电池压降也不同，从而PV在此工作电压所对应的输出功率也有所不同。通过对PV的串/并联阵列模式进行转换，对单位PV的压降进行调整，进而达到最大输出功率。例如在低充电电压下，电路选择3×12组合阵列，与7×5组合阵列相比，这样可以获得较大的充电电流，每个单位光伏电池的压降也相对较高；同理在高的充电电压下，电路选择7×5组合阵列，以降低每个单位光伏电池上的压降。组合阵列的选择由MPPT电路进行控制。PV单元工作在50μA-100μA下，对1F-5V超级电容充电，效率最高可达94％，最低为80％。

所述的运算放大器模块OP正输入极接BGR模块输出端，负输入极与OP输出端连接，构成负反馈结构，输出端依次串联4个电阻R4-R1分压得到的VREF1-VREF4。

还设置了启动电路及超级电容防过充模块用于整体电路的启动及超级电容达到额定电压之后通过电阻分流进行过压保护。

确定所述的参考电压VREF1-VREF4的具体方法如下，

获取相同光照条件下的五种光伏电池阵列模式的效率曲线，效率曲线的横轴为时间；

确定光伏电池阵列模式转换的临界转换点，即效率曲线两两相交的四个交点；

确定光伏电池阵列模式临界转换值电压，即根据两条效率曲线的交点，绘制交点对应时刻之前、效率高的光伏电池阵列模式的充电曲线，其中，充电曲线横轴为时间，纵轴为电压，则交点对应时刻在充电曲线上对应的电压，即为这两条效率曲线代表的两种光伏电池阵列模式的临界转换值电压。由于为了满足滞回比较器输入电压范围，超级电容充电电压进行了比例分压得到VTEST，故曲线交点处得到的临界转换值电压同样乘以相同比例，得到参考电压VREF1；

在光照范围内改变光照条件，即可获得不同光照条件下，五种光伏电池阵列模式的临界转换值电压，乘以与VTEST相同的分压比例即可得到参考电压VREF1-VREF4。

本发明应用于太阳能光伏电池对超级电容充电，通过对太阳能光伏电池等效模型分析，设计太阳能电池最大功率点追踪电路，控制太阳能电池串/并联连接阵列使太阳能电池工作在最大功率点附近对超级电容充电，超级电容进而对物联网节点或其他设备供电。

为了使PV连接阵列的MPPT电压与电池电压相匹配，两者都可以变化，通过MPPT电路将PV阵列周期性地重新配置成不同的串联/并联配置，连接到超级电容并对其进行充电。这种阵列太阳能采集电源管理电路的特点在于：

第一，电路通过模拟电路设计实现，内部所包含模块均由模拟电路设计完成，采用0.18μm工艺。电路包括光伏电池连接模块(PV-cells)，滞回比较器模块(HC)，电流偏置模块(NBIAS)，带隙基准模块(BGR)，运算放大器模块(OP)，逻辑判断模块(Logic)，启动电路及超级电容防过充模块。光伏电池板阵列通过连接此电路对超级电容进行充电。

第二，电路简化了MPPT算法，对PV进行了3×12,4×9,5×7,6×6,7×5五种阵列模式连接，通过对PV模型的电流-电压(I-V)曲线、功率-电压(P-V)曲线分析，确定了五种阵列模式的输出功率曲线，并对五条曲线进行叠加，得到五种阵列输出功率曲线的交点，确定功率交点所对应的超级电容充电电压，设立为五种PV阵列模式的转换点。

第三，PV串/并联阵列直接连接至超级电容对其充电，充电过程中由MPPT电路控制PV阵列连接方式，调整单位PV的电压，使其工作在最大功率点附近，输出功率可达到最大，通过不断的调整，充电过程保持在较高水平。

有益效果

本发明光伏电池通过本发明对超级电容充电，电路内部直接通过DC开关将PV阵列连接到超级电容，完全除去了开关电容以及储能电感，避免了效率损失。电路系统中包含最大功率点追踪电路(MPPT)，通过MPPT电路将PV阵列周期性地重新配置成不同的串联/并联配置，连接到超级电容并对其进行充电，使充电过程中效率始终保持在较高水平。

附图说明

图1阵列太阳能采集电源管理电路功能图。

图2阵列太阳能采集电源管理电路结构图。

图3阵列太阳能采集电源管理电路图。

图4阵列效率曲线及临界转换值确定示意图。

图5PV-cells模块电路结构。

图6滞回比较器模块电路结构。

图7电流偏置模块电路结构。

图8带隙基准模块电路结构。

图9运算放大器模块电路结构。

具体实施方式

本发明设计了一种阵列太阳能采集电源管理电路。整体结构利用模拟电路进行设计，设计工艺为0.18μm。内部所包含模块均由模拟电路设计完成，包括光伏电池连接模块(PV-cells)，滞回比较器模块(HC)，电流偏置模块(NBIAS)，带隙基准模块(BGR)，运算放大器模块(OP)，逻辑判断模块(Logic)，启动电路及超级电容防过充模块。电路系统中包含最大功率点追踪(MPPT)，MPPT由滞回比较器模块及逻辑判断模块组成。超级电容充电电压通过电阻分压后反馈到滞回比较器模块的正输入极，分别通过四个滞回比较器与四个参考电压进行比较，判断充电阶段输出比较结果，将滞回比较器的输出信号输入到逻辑判断模块，逻辑判断模块通过一个反相器和三个异或门进行逻辑判断，将输出VC1-VC5五个控制信号，这五个信号将连接到光伏电池连接模块，光伏电池连接模块以六种光伏电池(PV)单元为对象，对其进行阵列组合，VC1-VC5五个输入信号控制其分别组成3×12,4×9,5×7,6×6,7×5五种阵列模式，将PV阵列周期性地重新配置成不同的串联/并联模式，五种阵列模式的输出电压端口CE1将连接至超级电容的正极，对超级电容进行充电，使充电过程中效率始终保持在较高水平。电流偏置模块为电路中HC、BGR、OP模块提供偏置电流。带隙基准模块输出1.2V固定电压，连接至单位增益的运算放大器模块的正输入极，OP的输出通过电阻分压后得到四个固定参考电压值，用于HC模块中与超级电容充电电压进行比较。启动电路及超级电容防过充模块用于整体电路的启动及超级电容达到额定电压之后通过电阻分流进行过压保护。阵列太阳能采集电源管理电路结构图参见附图2。

以36个分立的光伏电池为例，通过串/并联排列组合，可以组成3×12、4×9、5×7、6×6,、7×5五种阵列模式。为了减少连接导通损耗，尽可能多的拆分出共用组合形式，因此将36个单位光伏电池组成了3×5,1×5,1×4,3×1,2×1五种单元及7个单位PV。3×12、4×9、5×7、6×6,、7×5五种串/并联阵列由传输门进行控制连接。为了减小功耗，尽可能的提取共用传输门，即不同情况下相同的连接点可使用同一传输门。通过控制传输门的导通，即可控制五种阵列模式的转换。通过滞回比较器对超级电容端充电电压与临界转换值进行比较，从而确定充电阶段进行阵列模式选择与转换。

临界转换值的确定，对分立PV单元3×5,1×5,1×4,3×1,2×1和7个单位PV通过传输门连接组成3×12,4×9,5×7,6×6,7×5五种阵列模式。用固定电流源进行仿真表示某一光照强度，例如在光伏电池电流源I_dc＝50μA时，仿真得到的五种阵列模式给超级电容充电过程中的效率曲线，并对其进行叠加分析。效率计算公式为PV阵列上端单元3×5正极的输出功率/每个PV单元所能达到的最大功率之和。而确定每种状态间转换的临界转换值即为每条效率曲线的交点，接下来确定效率曲线交点与充电电压的相关性。不同组合阵列下，充电电压上升曲线与效率曲线进行叠加显示。根据仿真图，可以得到相邻状态间，两条效率曲线交点处所对应的前者状态下电容充电电压值。五种状态拥有五条效率曲线，产生四个效率交点，对应着四个充电电压值，记录下这四个充电电压值。如图4所示，以确认模式3×12,4×9的转换参考电压为例，图中点A为模式3×12,4×9效率曲线的交点，点A对应的时刻为80s，在80s之前，模式3×12的效率高于模式4×9的效率，因此在模式3×12对应的充电曲线中寻找80s对应的电压B，该电压值即为临界转换值电压，此电压乘以二分之一后得到参考电压VREF1，同理可以得到VREF2-VREF4，改变电流源的大小，模仿光照强度的变化，依次对I_dc＝40μA、I_dc＝50μA、I_dc＝60μA、I_dc＝70μA、I_dc＝80μA情况下重复以上仿真过程，得到不同光照强度下充电效率曲线与充电电压的对应关系，并在每种光照强度下，按照此方法查看并记录效率交点处所对应的充电电压值。根据不同光照强度下的仿真数据，得到随光照强度(电流)的变化，相邻状态效率曲线交点处所对应的前一状态充电电压值基本不变，保持在一定数值。我们可以将此数值作为状态临界转换值。临界转换值电压的二分之一即为滞回比较器负输入级的参考电压(VREF1-VREF4)，此电压通过带运算放大器(OP)输出端连接至分压电阻得到。

电路设计，系统整体结构通过模拟电路实现，电路主要包括七个部分：

光伏电池连接模块(PV-cells)：本模块是以外部输入的分立PV单元3×5,1×5,1×4,3×1,2×1和7个单位PV为外部连接对象，由传输门(TG)对以上单元的正、负极进行串联或并联排列组合成3×12、4×9、5×7、6×6,7×5五种光伏电池阵列模式，同时传输门复用，提取多模式下共用传输门，设计多控制端传输门，共包括38个传输门TG1-TG38。由Logic模块输出端口VC1-VC5作为此模块的输入端口，控制五种阵列模式的选择。通过VC1-VC5五个控制端口，对PV-cells模块中传输门的导通/关断进行控制，PV-cells模块可连接成3×12,4×9,5×7,6×6,7×5五种阵列模式。3×5单元的正极接传输门TG12的输入、TG32的输入、TG38的输入端口CE1，负极接传输门TG1的输入、TG13的输入端口CE2，CE1同时接到超级电容的正端，由CE1端口对超级电容进行充电；1×5单元的正极接传输门TG1的输出、TG38的输出端口AE1，负极接传输门TG2的输入、TG37的输入端口AE2；1×4单元的正极接传传输门TG2的输出、TG3的输入、TG16的输入、TG30的输入、TG32的输出端口AD1，负极接传输门TG5的输入、TG31的输出、TG33的输入端口AD2；3×1单元的正极接传输门TG3的输出、TG12的输出、TG26的输入、TG33的输出端口CA1，负极接传输门TG11的输入、TG13的输出、TG22的输入、TG27的输入、TG29的输入端口CA2；2×1单元的正极接传输门TG4的输入、TG16的输出、TG29的输出端口BA1，负极接传输门TG19的输入、TG36的输入端口BA2；单位PV1的正极接传输门TG4的输出、TG5的输出、TG6的输入、TG7的输入、TG28的输出端口A1，负极接传输门TG8的输入、TG9的输入、TG10的输入、TG17的输入、TG18的输入、TG34的输入端口A2；单位PV2的正极接传输门TG6的输出、TG34的输出端口B1，负极接传输门TG17的输出、TG35的输入端口B2；单位PV3的正极接传输门TG7的输出、TG14的输入、TG30的输出、TG36的输出端口C1，负极接传输门TG15的输入、TG18的输出端口C2；单位PV4的正极接传输门TG8的输出、TG14的输出、TG35的输出端口D1，负极接传输门TG11的输出、TG15的输出、TG19的输出、TG20的输入、TG21的输入、TG25的输入、TG31的输入、TG37的输出端口D2；单位PV5的正极接传输门TG9的输出、TG22的输出、TG26的输出端口E1，负极接传输门TG20的输出、TG23的输入端口E2；单位PV6的正极接传输门TG10的输出、TG23的输出端口F1，负极接传输门TG21的输出、TG24的输入端口F2；单位PV7的正极接传输门TG24端口G1，负极接传输门TG25的输出、TG27的输出、TG28的输入端口G2；

当VC1为高电平时，PV-cells模块连接成3×12阵列，即编号为2、5、6、7、11、12、13、14、15、16、17、18、19、23、24、25、26、38的传输门导通，其余传输门关断；

当VC2为高电平时，PV-cells模块连接成4×9阵列，即编号为1、4、5、11、15、23、24、25、26、32、33、34、35、36、37的传输门导通，其余传输门关断；

当VC3为高电平时，PV-cells模块连接成5×7阵列，编号为1、2、4、8、12、14、15、19、23、24、26、27、28、29、30、31的传输门导通，其余传输门关断；

当VC4为高电平时，PV-cells模块连接成6×6阵列，编号为1、2、5、6、7、12、13、14、15、16、17、18、19、22、23、24、25的传输门导通，其余传输门关断；

当VC5为高电平时，PV-cells模块连接成7×5阵列，编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、17、18、19、20、21的传输门导通，其余传输门关断；

分立PV单元通过PV-cells模块连接至此电路，电路输出端口为PV上端3×5单元正极端口CE1，CE1端口连接至超级电容，向超级电容充电。

滞回比较器模块(HC)：用于充电电压与参考电压比较，如图3所示，电路中四个滞回比较器的正输入极均连接VTEST，VTEST为超级电容充电端口CE1依次通过分压电阻R5、R6得到的R6上的电压，负输入极接OP模块输出端通过电阻R4-R1分压得到的四个参考电压值VREF1-VREF4，VREF1-VREF4为通过仿真分析确定的四个临界转换值电压。HC1的负输入极接VREF1，HC2的负输入极接VREF2，HC3的负输入极接VREF3，HC4的负输入极接VREF4。滞回比较器对正负输入极进行比较，输出端接异或门的输入端判断当前充电阶段。滞回比较器具有滞回特性，因而具有一定的抗干扰能力，其传输特性具有滞回曲线的形状，滞回区间为100mV。滞回比较器结构采用公知的一般结构，具体电路参见附图6。

电流偏置模块(NBIAS)：为系统中各模块提供稳定的电流偏置。采用常规电流偏置电路，如图7所示，具体采用运算放大器结构来保持M3，M4漏极电压相等，从而减小晶体管有限输出阻抗的影响。运放的另一个优点是可以减小M3漏端阻抗，这将降低M1-M4环路的正反馈增益，提高电路的稳定性。由运算放大器和共源晶体管M1,M2构成的负反馈可以通过适当的补偿电容达到稳定。电流偏置电路输出电压稳定后为945mV，电流为1.2μA。

带隙基准模块(BGR)：为系统提供稳定的参考电压。此电路为公知的基本带隙基准电路，由与温度成反比的三极管基极-发射极压降(VBE)和与温度成正比的VBE差值(ΔVBE)相互抵消，形成与温度无关的电压基准。BGR的输出接运算放大器(OP)的正极，OP负反馈接法，OP输出端接分压电阻，通过分压得到参考电压VREF1-VREF4。具体电路参见附图8。

运算放大器模块(OP)：运算放大器为采用两级结构，第一级为NMOS为对管输入的差分放大器，第二级为共源共栅放大器。OP正输入极接BGR模块输出端，负输入极与OP输出端连接，构成负反馈结构，输出端通过电阻R4-R1分压得到的VREF1-VREF4。具体电路参加附图9。

逻辑判断模块(Logic)：通过对滞回比较器的输出进行逻辑判断，包含一个反相器(INV)和三个异或门(XOR)。输出VC1-VC5控制信号连接至PV-cells模块的输入端，控制PV-cells模块PV连接阵列的转换。HC1的输出端连接Logic模块中反相器INV的输入端及异或门XOR1的输入端，HC2的输出端连接Logic模块中异或门XOR1的输入端及异或门XOR2的输入端，HC3的输出端连接Logic模块中异或门XOR2的输入端及异或门XOR3的输入端，HC4的输出端连接Logic模块中异或门XOR3的输入端。

启动电路及超级电容防过充电路：启动电路通过外部额外的小尺寸光伏电池进行供电，此光伏电池的正极连接至启动电路中传输门的输入极Vpv，传输门的输出极连接整体电路供电电压VDD，当小尺寸光伏电池上电压达到5V时，通过逻辑判断，连接Vpv端口与电路电源VDD之间的传输门则会导通，利用此光伏电池为整体电路进行供电。在超级电容充电过程中，若超级电容达到额定电压，连接PV上端3×5单元正极端口CE1与保护电阻R11的传输门则会导通，通过保护电阻对超过超级电容额定电压的部分进行分压，对超级电容进行过充保护。具体见图3。

综上所述，外部输入的PV单元通过PV-cells模块连接至此电路，电路输出端口为PV顶层3×5单元正极端口CE1，CE1端口连接至超级电容，向超级电容充电。通过MPPT电路控制，可使PV单元工作在最大功率点附近。根据电路内部逻辑设置，每当超级电容充电电压达到临界转换值，MPPT可控制3×12、4×9、5×7、6×6,、7×5五种阵列模式进行转换，使PV充电效率保持在高水平。PV单元工作在50μA-100μA下，对1F-5V超级电容充电，效率最高可达94％，最低为80％。

Claims (8)

1.一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：该电路通过模拟电路设计实现，包括滞回比较器模块HC，逻辑判断模块Logic，光伏电池连接模块PV-cells，电流偏置模块NBIAS，带隙基准模块BGR，运算放大器模块OP；

其中，滞回比较器模块HC和逻辑判断模块Logic组合实现电路系统中最大功率点追踪MPPT，最大功率点追踪MPPT用于为光伏电池连接模块PV-cells提供光伏电池阵列模式选择控制信号VC1-VC5；

所述的光伏电池连接模块PV-cells用于实现对外部连接对象，即分立PV单元3×5,1×5,1×4,3×1,2×1和7个单位PV进行排列组合，组合成为3×12、4×9、5×7、6×6、7×5五种光伏电池阵列模式对超级电容进行充电；

所述的电流偏置模块为电路中HC、BGR、OP模块提供偏置电流；

所述的带隙基准模块BGR用于为运算放大器模块OP提供稳定的参考电压，BGR的输出连接至运算放大器模块OP的正输入极；

所述的运算放大器模块OP用于为滞回比较器模块提供参考电压VREF1-VREF4；

所述光伏电池连接模块PV-cells的光伏电池阵列模式选择方式如下：

当VTEST<VREF1时，VC1为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为3×12光伏电池阵列模式；

当VREF 1<VTEST<VREF2时，VC2为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为4×9光伏电池阵列模式；

当VREF 2<VTEST<VREF3时，VC3为高,光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为5×7光伏电池阵列模式；

当VREF 3<VTEST<VREF4时，VC4为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为6×6光伏电池阵列模式；

当VREF 4<VTEST时，VC5为高，光伏电池连接模块PV-cells将分立PV单元组合成为7×5光伏电池阵列模式；

其中，VTEST是滞回比较器模块中与参考电压进行比较的，代表经比例降压处理后的超级电容上的电压。

2.根据权利要求1所述的一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：所述的滞回比较器模块HC包括四个滞回比较器HC1-HC4，四个滞回比较器的正输入极均连接VTEST，VTEST为按比例分压后的超级电容电压，四个滞回比较器HC1-HC4的负输入极依次接OP模块输出端通过电阻R4-R1分压得到的四个临界转换参考电压值VREF1-VREF4。

3.根据权利要求1所述的一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：所述的逻辑判断模块Logic包括一个反相器INV和三个异或门XOR1-XOR3，反相器INV的输入端连接滞回比较器HC1的输出端，异或门XOR1的输入端连接滞回比较器HC1和HC2的输出端，异或门XOR2的输入端连接滞回比较器HC2和HC3的输出端，异或门XOR3的输入端连接滞回比较器HC3和HC4的输出端。

4.根据权利要求2和3所述的一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：所述的逻辑判断模块Logic中反相器INV的输出VC1、三个异或门XOR1-XOR3的输出VC2-VC4、以及滞回比较器HC4的输出VC5构成了光伏电池连接模块PV-cells的光伏电池阵列模式选择控制信号。

5.根据权利要求1所述的一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：所述的光伏电池连接模块PV-cells具体包括38个传输门TG1-TG38，3×5单元的正极接传输门TG12的输入、TG32的输入、TG38的输入端口CE1，负极接传输门TG1的输入、TG13的输入端口CE2，CE1同时接到超级电容的正端，由CE1端口对超级电容进行充电；1×5单元的正极接传输门TG1的输出、TG38的输出端口AE1，负极接传输门TG2的输入、TG37的输入端口AE2；1×4单元的正极接传传输门TG2的输出、TG3的输入、TG16的输入、TG30的输入、TG32的输出端口AD1，负极接传输门TG5的输入、TG31的输出、TG33的输入端口AD2；3×1单元的正极接传输门TG3的输出、TG12的输出、TG26的输入、TG33的输出端口CA1，负极接传输门TG11的输入、TG13的输出、TG22的输入、TG27的输入、TG29的输入端口CA2；2×1单元的正极接传输门TG4的输入、TG16的输出、TG29的输出端口BA1，负极接传输门TG19的输入、TG36的输入端口BA2；单位PV1的正极接传输门TG4的输出、TG5的输出、TG6的输入、TG7的输入、TG28的输出端口A1，负极接传输门TG8的输入、TG9的输入、TG10的输入、TG17的输入、TG18的输入、TG34的输入端口A2；单位PV2的正极接传输门TG6的输出、TG34 的输出端口B1，负极接传输门TG17的输出、TG35的输入端口B2；单位PV3的正极接传输门TG7的输出、TG14的输入、TG30的输出、TG36的输出端口C1，负极接传输门TG15的输入、TG18的输出端口C2；单位PV4的正极接传输门TG8的输出、TG14的输出、TG35的输出端口D1，负极接传输门TG11的输出、TG15的输出、TG19的输出、TG20的输入、TG21的输入、TG25的输入、TG31的输入、TG37的输出端口D2；单位PV5的正极接传输门TG9的输出、TG22的输出、TG26的输出端口E1，负极接传输门TG20的输出、TG23的输入端口E2；单位PV6的正极接传输门TG10的输出、TG23的输出端口F1，负极接传输门TG21的输出、TG24的输入端口F2；单位PV7的正极接传输门TG24端口G1，负极接传输门TG25的输出、TG27的输出、TG28的输入端口G2；

当VC1为高电平时，PV-cells模块连接成3×12阵列，即编号为2、5、6、7、11、12、13、14、15、16、17、18、19、23、24、25、26、38的传输门导通，其余传输门关断；

当VC2为高电平时，PV-cells模块连接成4×9阵列，即编号为1、4、5、11、15、23、24、25、26、32、33、34、35、36、37的传输门导通，其余传输门关断；

当VC3为高电平时，PV-cells模块连接成5×7阵列，编号为1、2、4、8、12、14、15、19、23、24、26、27、28、29、30、31的传输门导通，其余传输门关断；

当VC4为高电平时，PV-cells模块连接成6×6阵列，编号为1、2、5、6、7、12、13、14、15、16、17、18、19、22、23、24、25的传输门导通，其余传输门关断；

当VC5为高电平时，PV-cells模块连接成7×5阵列，编号为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、17、18、19、20、21的传输门导通，其余传输门关断。

6.根据权利要求1所述的一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：所述的运算放大器模块OP正输入极接BGR模块输出端，负输入极与OP输出端连接，构成负反馈结构，输出端依次串联4个电阻R4-R1分压得到的VREF1-VREF4。

7.根据权利要求1所述的一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：还设置了启动电路及超级电容防过充模块用于整体电路的启动及超级电容达到额定电压之后通过电阻分流进行过压保护。

8.根据权利要求1所述的一种阵列太阳能采集电源管理电路，其特征在于：确定所述的参考电压VREF1-VREF4的具体方法如下，获取相同光照条件下的五种光伏电池阵列模式的效率曲线，效率曲线的横轴为时间；

确定光伏电池阵列模式转换的临界转换点，即效率曲线两两相交的四个交点；

确定光伏电池阵列模式临界转换值电压，即根据两条效率曲线的交点，绘制交点对应时刻之前、效率高的光伏电池阵列模式的充电曲线，其中，充电曲线横轴为时间，纵轴为电压，则交点对应时刻在充电曲线上对应的电压，即为这两条效率曲线代表的两种光伏电池阵列模式的临界转换值电压。由于为了满足滞回比较器输入电压范围，超级电容充电电压进行了比例分压得到VTEST，故曲线交点处得到的临界转换值电压同样乘以相同比例，得到参考电压VREF1；

在光照范围内改变光照条件，即可获得不同光照条件下，五种光伏电池阵列模式的临界转换值电压，乘以与VTEST相同的分压比例即可得到参考电压VREF1-VREF4。