(SKU:DFR0535)Sunflower: Solar Power Manager 太阳能电源管理模块

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太阳能电源管理模块

目录

Solar Power Manager太阳能系列

简介

DFRobot Solar Power Manager太阳能系列是面向物联网IoT与可再生能源项目,为广大创客与应用工程师提供安全高效的嵌入式太阳能电源管理模组。全系列具有最大功率点跟踪MPPT功能,可在各种光照条件下最大化太阳能收集效率,并具有多种电池与电源保护功能,为各类太阳能项目提供高效可靠的电源管理。

选型指南

产品名称 Solar Power Manager
太阳能电源管理模块
Solar Power Manager 5V
太阳能电源管理模块5V
SKU DFR0535 DFR0559
主芯片方案 LTC3652 CN3065
输入电压 7V ~ 30V 4.4V ~ 6V
最大充电电流 2A 900mA
电源拓扑类型 DC-DC降压型 线性降压
电池类型 3.7V锂电池 3.7V锂电池
最大功率点跟踪MPPT 有(9V/12V/18V可选) 有(固定5V)
电池保护 过流、过冲、过放、防反接 过冲、防反接
输出保护 短路保护、过流保护、过热保护 短路保护、过流保护
USB充电输入
USB输出 5V 1.5A 5V 1A
稳压输出 三路稳压输出
3.3V 1A;5V 1.5V;9V/12V 0.5A
单路稳压输出
5V 1A
尺寸 78.0mm×68.0mm 33.0mm×63.0mm
特点 完整的多功能太阳能管理模块。

常见场景:小型太阳能路灯,太阳能智能小车
适用于9V/12V/18V 20W以内太阳能板。

小巧易用的5V太阳能管理模块。

常见场景:太阳能充电宝,太阳能环境监控节点
适用于5V 10W以内太阳能板。


简介

太阳能电源管理模块是一款具有最大功率点跟踪MPPT、太阳能/电源适配器/USB多种充电方式,针对3.7V单节锂聚合物/锂离子电池充电,可控多路直流稳压输出,并具有完善保护功能的小功率高效率太阳能电源管理模块。
本模块采用恒定电压最大功率点跟踪MPPT算法,可最大化太阳能板在各种光照条件下的输出功率。三路高效开关直流稳压输出5V 1.5A,3.3V 1A和9V/12V 0.5A均可分别独立控制通断,满足广大创客用户对太阳能以及低功耗应用创作的多种需求。除了作为太阳能充电器,用户还可以使用常见USB充电器或者30V以内的各类电源适配器为单节3.7V锂电池提供最高2A的充电电流。模块具有专用锂电池保护芯片、电池/太阳能板防反接、过热保护,限流保护等多种保护功能,可有效地为系统提供全方位的保护,大大提高了系统的安全性与稳定性。

特性

  • 恒定电压最大功率点跟踪MPPT算法,最大化太阳能转换率
  • 7V~30V宽太阳能板输入电压,兼容广大中小功率太阳能板
  • 太阳能/电源适配器/USB多种充电方式(最大2A充电),灵活充电
  • 可独立控制的三路高效率稳压输出,适用各类低功耗应用项目
  • 全部采用多层陶瓷电容MLCC,安全稳定高效
  • 多种保护功能,全方位保障电池与电源系统安全
  • 多种状态指示灯,系统状态一目了然
  • USB防静电外壳


技术规格

  • 太阳能充电管理芯片:LTC3652
  • 太阳能板输入电压:7V~30V
  • 电池类型:3.7V单节锂聚合物/锂离子电池(充满电压4.2V)
  • 充电电流(USB/太阳能):2A Max 涓流、恒流、恒压三段充电
  • 充电截止电压(USB/太阳能):4.2V±1%
  • 最大功率点设置档位:OFF/9V/12V/18V
  • USB充电输入电压:5V
  • 稳压输出:3个(OUT1=5V 1.5A; OUT2=3.3V 1A; OUT3=9V/12V 0.5A)
  • 稳压输出效率(3.7V电池输入)
    • OUT1: 90%@10%负载;86%@50%负载;80%@90%负载
    • OUT2: 96%@10%负载;92%@50%负载;87%@90%负载
    • OUT3(9V输出):88%@10%负载;89%@50%负载;86%@90%负载
    • OUT3(12V输出):87%@10%负载;88%@50%负载;82%@90%负载
  • USB充电效率:84%@1A;74%@1.8A
  • 太阳能充电效率(18V输入):78%@1A;72%@1.8A
  • 静态功耗
    • 系统最大静态功耗:<3 mA
    • OUT1静态功耗:<760 uA
    • OUT2静态功耗:<560 uA
    • OUT3静态功耗:<1.72 mA
  • 保护功能
    • 电池(BAT IN):过冲电压(4.3V)、过放电压(2.4V)、过流(3A)、反接保护
    • 稳压输出(OUT1-3/USB OUT):短路/过流/过热保护
    • 太阳能板(SOLAR IN):防倒灌,反接保护
  • 工作温度:-40℃~85℃
  • 尺寸:78.0mm*68.0mm


应用场景

  • 太阳能智能环境监控系统
  • 太阳能小车与机器人
  • 小型太阳能路灯
  • 太阳能充电宝


接口说明

DFR0535 overview(CH).png


快速使用

搭建一个太阳能供电系统

  • 按照下图,先将锂电池连接到BAT IN端口,然后将太阳能板连接到SOLAR IN端口。
  • 根据太阳能板的额定(最大功率)电压,将MPPT SET拨码开关相应拨码拨到ON(其余位保持OFF)。
  • 在USB OUT连接Arduino,在OUT1-3连接相应的负载(传感器、电机驱动等),注意将所需的稳压输出通过跳线帽插到蓝色接线柱的ON位置。
  • 若无输出(指示灯ON1-ON3未点亮),需要按一下BOOT按钮激活锂电池保护芯片。

注意:

  • 若使用10W及以上的大功率太阳能板,LTC3652可能会满载运行,此时需要增强其散热。把附送的蓝色导热硅胶片粘在散热片上,然后把散热片粘在模块背部标有“Cooling Fin”处的散热片安装处。


太阳能供电系统


详细说明

最大功率点跟踪MPPT

太阳能电池最大功率点跟踪MPPT(Maximum Power Point Tracking)技术能够保证在负载或环境光照强度变化时,光伏电池一直保持最大输出功率,以最大化太阳能利用率。

从太阳能板的I/V伏安特性曲线(绿线)中可以看出,曲线与纵轴的交点为太阳能板的短路电流ISC,与横轴的交点为开路电压VOC,太阳能板的ISC和VOC均随着光照强度的增加而上升,其输出电流IPANEL随着输出电压VPANEL经过一个先缓后急的逐渐下降过程。当我们把电压与电流相乘,以输出电压为自变量,可以得到太阳能板的P/V伏瓦特性曲线(蓝线),随着光照强度的上升,太阳能板在各电压下的输出功率也随之上升,但达到最大输出功率时的输出电压VMP随光照的变化不大,因此可认为一块太阳能板的最大输出功率电压(也叫做额定电压)是一个固定的值。

太阳能IV/PV特性曲线(图片来源于Linear Technology)


本模块使用的LTC3652太阳能电源管理芯片采用恒定电压MPPT算法,通过DC-DC开关控制电路限制太阳能板的输出电流,等效地把太阳能输出电压控制在最大功率点附近,以最大化太阳能板的输出功率。相对于市面上普通的降压型开关电源太阳能控制器,能有效提高太阳能利用率与转换效率。

太阳能板选择

SOLAR IN端口可连接目前市面上任何种类(多晶、单晶、薄膜),开路电压在7V~30V以内的太阳能电池板,考虑到太阳能板的大小、重量与价格和模块的最大充电电流等因素,连接一块功率不超过15W的太阳能电池板在SOLAR IN端口即可。

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注意:输入电压严禁超过30V,否则可能永久损坏模块。


最大功率点设置MPPT SET

MPPT SET提供目前中小功率太阳能板较为常用的三种电压9V,12V和18V的快速设置。用户可以根据所使用太阳能板的额定电压,每次拨动相应的一位开关到ON,其它位保持OFF。若不需要MPPT功能,则将最后一位(OFF位)拨动到ON(OFF位有最高优先级,无论其它位拨码状态如何,该位处于ON时,关闭MPPT功能)。关闭MPPT后,SOLAR IN变为一个具有最大2A充电电流的降压型开关电源充电器,这可以用于在SOLAR IN端口使用电源适配器为电池充电的场合。

最大功率点设置拨码开关

注意:

  • 当太阳光较弱时,太阳能板开路电压可能低于MPPT设定电压,此时太阳能充电电路处于关闭状态,太阳能板无法对电池进行充电,充电指示灯CHG SOLAR熄灭。此时,可将最后一位(OFF位)拨动到ON,关闭MPPT功能,让电路在弱光条件下继续对电池进行小电流充电。


电池选择

BAT IN端口提供PH2.0和接线柱两种接口,这两个接口不经过任何电路内部相互并联,通常选择其中一个接口连接单节3.7V锂离子/锂聚合物电池(充满4.2V)。由于模块最大的充电电流可达2A,为了保证电池不会由于过大的充电电流导致过热而产生安全问题,需要注意电池标称的最大充电电流不低于该值。通常锂电池会标注充电倍率与容量,可通过公式:最大充电电流(mA)=电池容量(mAH)*充电倍率(C)来计算所使用锂电池的最大允许充电电流是否大于2A。对于常见的充电倍率为1C的锂电池,可选择容量为2000mAh以上或容量更小但带有限流保护芯片的电池,而动力型(航模用)锂电池通常具有较高的充放电倍率,因此可使用体积与容量更小的电池。此外,在PH2.0端口可使用DFRobot的3.7V锂聚合物电池,电池内部带锂电池保护芯片,可自动限制电池充电电流在安全范围内。

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注意:切勿使用除说明外的其它类型可充/不可冲电池。


USB充电要求

建议使用具有5V 2A负载能力的手机充电头用于USB充电,使用低负载能力的手机充电头(如5V 1A)会降低电池的充电速度。

USB充电输入


USB/太阳能充电自动切换

用户可通过USB或太阳能输入端口SOLAR IN对锂电池进行充电,两者具有相同的2A最大充电电流能力,但为了防止两者同时给锂电池充电而产生冲突,USB充电具有较高优先级。当太阳能板端口SOLAR IN充当充电电源,插入USB充电会关断太阳能充电,当USB拔出时,电路自动切换回太阳能充电。

多路稳压输出

模块具有三路高效率稳压输出(OUT1=5V 1.5A; OUT2=3.3V 1A; OUT3=9V/12V 0.5A),其中OUT3输出电压可通过OUT3 SET拨动开关选择为9V或12V,OUT1和USB OUT具有相同的输出电压,共享输出功率额度(不超过1.5A)。USB OUT不能被关闭。

OUT3输出电压设置

目前大部分市场上的充电宝均带有自动关机功能以降低静态功耗,但这些充电宝的自动关机阈值往往对于低功耗主控板,甚至对经典的Arduino UNO来说都过大(一般在50mA左右),充电宝会由于在刚上电的几十秒后检测到较低的输出电流而自动关机,这就导致这类充电宝无法用在低功耗项目中。无论主控板在全速“高功耗”运行,还是进入睡眠待机状态的几微安功耗,USB OUT均能持续供电。

用户可使用目前市面上所有3.3V或5V电平微控制器(如Arduino系列、FireBeetle和树莓派等)分别对三路稳压输出的通断进行动态控制。将蓝色接线柱的跳线帽拔出,该路稳压输出会自动关闭(指示灯ON熄灭),将Arduino任意一个数字IO管脚和GND连接分别连接到标有EN和GND的蓝色排针,IO管脚输出高电平时,该路稳压输出将会被打开,低电平时,该路稳压输出将会被关闭。该功能在低功耗应用里面尤为有用,比如将所有的外设或传感器供电连接在OUT1和GND1上,当需要读取传感器的数值时,打开这一路的稳压输出,完成数据的读取,然后关闭稳压供电,同时将微控制器置于休眠状态直到下次被唤醒。

注意:

  • 关闭OUT1 5V稳压输出不会关闭USB OUT 5V输出,USB输出不能被关闭,但USB OUT与OUT1输出总功率不应超过额定的5V*1.5A=7.5W。
  • 当OUT1和OUT3输出打开时,相应的GND1与GND3分别与系统地GND相连。当OUT1和OUT3输出关闭时,GND1与GND3悬空(与GND断开)。
多路稳压输出


LED 指示灯

模块上有三种LED指示灯,分别指示模块不同部分的工作状态:

  • 反接指示:当电池或太阳能接反时,相应的防反接保护电路被激活,保护电路不被损坏,同时相应的反接指示灯REV BAT和REV SOLAR点亮(橘色),提示用户连线错误。
电池反接指示


太阳能板反接指示
  • 充电指示灯:当使用USB对电池充电时,CHG USB指示灯(红色)点亮,充满时DONE指示灯(绿色)点亮,CHG USB熄灭,无电池接入时,两灯同时点亮。DONE指示灯仅用于USB充电时,指示电池是否充满,无法用于太阳能SOLAR IN充电时,电池的充电状态。当使用太阳能端口给电池充电时,CHG SOLAR指示灯(红色)点亮;充满时,CHG SOLAR指示灯熄灭;电池未连接时,CHG SOLAR指示灯闪烁;光照过弱,电路无法通过太阳能板给电池充电时,CHG SOLAR指示灯熄灭。在使用太阳能充电的同时,稳压输出端OUT也连接有负载,进行边冲边放时,CHG SOLAR指示灯会一直处于常亮状态。在这种情况下,需要使用主控的模拟输入端口测量电池电压是否接近4.2V以判断电池是否充满。
USB充电指示


太阳能充电指示


注意:在打开或关闭MPPT功能时,CHG SOLAR太阳能充电指示灯会有不同的表现。

  • 当打开MPPT功能时,若冲入电池电流小于250mA,CHG SOLAR不点亮。虽然电池仍在以较小的电流充电,但这意味着太阳能板所处光照偏弱,或太阳能板并未正对太阳。
  • 当关闭MPPT功能时,只要有稍微光照,太阳能板开路电压高于7V,CHG SOLAR即点亮,与冲入电池电流无关。
  • 稳压输出指示灯:ON1-ON3指示灯(绿色)分别指示相应的OUT1-OUT3的输出状态,点亮时该路输出打开,熄灭时该路输出关闭。USB OUT没有状态指示灯且不能被关断,只要USB/太阳能/电池任一路有输入,USB OUT就有输出。
稳压输出指示灯


LTC3652散热片安装

当使用电源适配器或10W以上大功率太阳能板时,太阳能电源管理芯片LTC3652将会运行在满载充电状态。芯片带有过热保护,当由于充电过热时,芯片会自动降低充电电流保护芯片,但为了进一步降低芯片工作温度,提高稳定性与寿命,建议用户在使用前将附送的散热片和导热硅胶片粘在模块背面标有“Cooling Fin”的散热器安装位置,增强散热。

散热片安装位置


保护功能

  • 锂电池保护:模块采用专用锂电池保护芯片对锂电池进行全方位保护。当锂电池电压超过4.3V时,芯片对电池进行过冲保护,关断对电池继续充电的支路(但允许放电)。当锂电池电压下降低于2.4V时,芯片进入休眠状态,电池输出被关闭,以保护电池不会因为严重过放而造成损坏。一两次的严重过放或过冲可能会直接导致锂电池永久损坏,一般锂充电芯片都通过芯片内部设定的充电截止电压4.2V来保证电池不被过冲,但电池的过放只能依赖于封装在电池里面的保护电路或者像本模块一样对锂电池的过放进行保护。建议当OUT2输出指示开始变暗或锂电池电压在下降到3V前及时对电池进行充电。当锂电池输出电流超过3A时,芯片过流保护进入休眠状态,电池输出被关闭。
  • 反接保护:在电池接口BAT IN和太阳能输入接口SOLAR IN处有防反接保护,反接时相应指示灯点亮,提示用户出现反接错误。
  • 稳压输出保护:当稳压输出被意外短路时,锂电池保护芯片会瞬间流过大电流并迅速产生过流保护,进入休眠状态,关断电池输出。此时,所有稳压输出OUT1-OUT3断电关闭,相应的指示灯ON1-ON3熄灭。对于过流(过载)保护,各路稳压输出的保护处理方法略有不同。对于OUT2,当输出电流超过1.1A时,输出会被完全截止。对于OUT1和OUT3,当输出电流超过额定值时,输出不会被截止,但芯片会由于过大的输出电流逐渐升温,直到触发芯片内部的过温保护限制输出电流,从而保护芯片。在实际使用中注意各路输出电流(功率)不要超过额定值。


注意:

  • 当每次重新连接电池或芯片由于保护动作进入休眠状态,需要按一下BOOT按钮或使用USB或太阳能对电池进行充电以激活芯片。


应用实例

使用电源适配器充电
利用太阳能充电输入端口,可用常规7V-30V内的电源适配器为单节锂电池供电。按照下图连线,将带有DC2.1公头的电源适配器插入附送转接头的DC2.1母口上,另一端使用短导线连接到模块的太阳能输入端口SOLAR IN,并将MPPT SET的OFF位拨到ON(其它位保持OFF),这样可为锂电池提供最高2A的充电电流。

使用电源适配器充电


使用USB充电
利用USB充电功能,可为锂电池提供最高2A的充电电流。使用该USB充电功能搭建一个太阳能充电宝,白天使用太阳能为电池充电,晚上电池没电时也可以用USB充电。由于USB OUT充电输出不会自动关闭,可为小电流、低功耗用电设备供电,例如智能手环或蓝牙耳机等。

使用USB手机充电器充电


搭建一个低功耗环境监控站
这个应用实例使用BME280环境传感器、VEML7700 环境光传感器和DS1307 RTC实时时钟三个模块监控环境中的各项指标并记录相应的时间,模拟输入A1监控电池电压。Arduino(或其他低功耗微控制器)通过I/O管脚每隔一定时间(如T=1s)打开OUT1 5V稳压输出为各传感器供电,读取一次传感器中的温度、湿度、气压、光照强度和相应的具体时间,然后关闭供电输出,而微控制器自身进入低功耗模式直到下一次被(内部低功耗时钟)唤醒(USB OUT一直有供电输出)。通过这种间歇性工作能够完全消除外设的静态功耗(虽然单个传感器功耗一般很低,但多个累加起来将会十分可观。而对于如显示屏这类“高功耗”外设,静态功耗的影响则更明显),大幅降低系统平均功耗。太阳能电源管理模块为用户提供动态开关外设模块供电的手段,最小化系统平均总功耗(平均功耗随时间间隔T延长而下降),有效延长系统续航。

低功耗环境监控站

常见问题

Q1. 两个电池接口是否可以同时接入电池?

A. 可以,此时电池为并联使用,但需要注意接入的两个电池应具有相同规格和使用寿命(相同容量,新旧相当)。模块所提供的两个接口为了适应不同的电池接口而设计,但两者内部直接并联,通常情况下一次只连接一个电池。

Q2. 用的是电池供电,为什么各稳压输出都不超过额定值,但是模块不时会自动断电?

A. 三路稳压最大输出总功率为5V*1.5A+3.3V*1A+12V*0.5A=16.8W。若只由电池供电时,模块最大输出功率取决于电池保护端的3A限制电流,取3.7V电池电压,85%的平均效率计算,此时模块最大输出功率不超过3.7V*3A*85%=9.4W(电池充满时,电池电压4.2V,最大输出功率为10.7W)。当三路稳压输出总功率超过该值时(即使此时OUT1-OUT3每路稳压输出功率均在额定值范围内),锂电池保护芯片会进入过流保护,断开电池与后级电路。若发生该问题时,需要通过USB或太阳能输入端口SOLAR IN进行外部供电,以防止电池进入限流保护。

Q3. MPPT设置里面没有我使用的太阳能板电压,怎么办?

A. 有两种办法可供选择:
  • 关闭MPPT功能:将MPPT SET的OFF位拨到ON,关闭MPPT功能。虽然太阳能板的利用率会因此有所降低,但能保证太阳板7V-30V以内的任何太阳能板都能使用。
  • 选择近似的MPPT电压:由于在太阳能板额定(最大功率点)VMP电压附近有一定电压范围内均能保持较高的转换效率(见太阳能板P/V特性曲线),因此MPPT点电压可不必过于精确,取MPPT SET拨至接近但小于所使用太阳能板的额定电压。对于9V-11.9V太阳板,选择9V档;对于12V-16.9V太阳能板,选择12V档。对于17V-24V太阳能板选择,选择18V档。

Q4. 可以边冲边放吗?

A. 可以。模块可以一边使用太阳能(或USB)充电,一边使用三路稳压输出为负载供电。


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