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

简介

太阳能电源管理模块5V是一款专为5V太阳能板打造的，适用于3.7V单节锂聚合物/锂离子电池，具有最大功率点跟踪MPPT、太阳能/USB两种充电方式，通断可控的5V直流稳压输出和完善保护功能的小功率高效率太阳能电源管理模块。
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。通断可控的5V高效开关稳压输出具有5V 1A输出能力，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充电器为单节3.7V锂电池提供最高900mA的充电电流。模块在电池/太阳能/输出端板均具有多种保护功能，可有效地为系统提供全方位的保护，为您的应用创作保驾护航。

版本升级历史

• V1.0：用户应注意使用带有保护板的3.7V锂电池以避免锂电池过放，提高电池安全与寿命。
• V1.1（最新）：增加电池端（BAT IN）过流与过放保护，提高电池安全性。无论锂电池是否带有保护板均可使用。

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
• 专为5V太阳能板打造
• 太阳能/USB两种充电方式（最大900mA充电），灵活充电
• 通断可控高效率5V稳压输出，适用各类低功耗应用项目
• 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：CN3165
• 太阳能板输入电压：4.5V~6V
• 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)：900mA Max 涓流、恒流、恒压三段充电
• 充电截止电压(USB/太阳能)：4.2V±1%
• 稳压输出：5V 1A
• 稳压输出效率（3.7V电池输入）
  • 5V排针/USB OUT: 89%@10%负载；86%@50%负载；83%@90%负载
• USB/太阳能充电效率：73%@3.7V 900mA BAT IN
• 最大静态功耗：<1 mA
• 保护功能
  • 电池（BAT IN）：过冲/过放/过流/反接保护
  • 稳压输出（OUT）：输出短路/过流/过热保护
  • 太阳能板（SOLAR IN）：反接/防倒灌保护
• 工作温度：-40℃～85℃
• 尺寸：33.0mm*63.0mm

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

快速使用

搭建一个太阳能供电系统

• 将锂电池连接到BAT IN端口。
• 将一块标称（最大功率）电压为5V的太阳能板连接到SOLAR IN端口。
• 在USB OUT连接Arduino，在标有5V和GND的排针上连接相应的负载（传感器、电机驱动等）。
• 将跳线帽插到蓝色接线柱的ON位置，打开排针上的5V输出，绿色ON输出指示灯点亮。

注意：

每次更换BAT IN端的电池时，由于锂电池保护芯片的作用，模块USB OUT/5V排针（红色）不会立刻有输出。此时可以通过按动BOOT按键或在USB/SOLAR IN其中一个端口对电池充电，即可恢复输出。

若使用5W及以上的太阳能板或USB充电时，充电芯片可能会满载运行，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”的散热片安装处。

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I_SC，与横轴的交点为开路电压V_OC，太阳能板的I_SC和V_OC均随着光照强度的增加而上升，其输出电流I_PANEL随着输出电压V_PANEL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V_MP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。

本模块使用的CN3065太阳能电源管理芯片采用恒定电压MPPT算法，通过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。相对于市面上普遍的线性锂电池充电器（如TP4056），能有效提高太阳能利用率与转换效率。

充电循环

模块通过涓流、恒流和恒压三个阶段对锂电池进行安全快速充电。

• 涓流充电：由于锂电池在电压较低时，内阻较高，不宜大电流充电，否则会导致电池温度过高，电池寿命降低。当电池电压低于涓流充电阈值电压3V时，模块进入涓流充电阶段，以最大充电电流的10%，即90mA，对电池进行充电，直到电池电压高于3V。
• 恒流充电：当电池电压高于3V，模块进入恒流充电阶段，以恒定电流900mA对电池快速充电。在涓流充电和恒流充电两个阶段，CHG红色LED点亮，DONE绿色LED熄灭。
• 恒压充电：当电池电压随着恒流阶段的充电，接近充电截止电压4.2V时，模块进入恒压充电阶段，模块以恒定充电电压对电池继续充电，充电电流随时间逐渐下降。当充电电流下降到最大充电电流的10%，即90mA时，充电结束，充电电流趋近于零。模块DONE绿色LED点亮，CHG红色LED熄灭。
• 自动再充电：如果模块输入源（SOLAR IN）没有断电，由于电池自放电或者负载的原因，电池电压逐渐下降，降低到4.05V时，将自动开始新的充电周期。

太阳能板选型

SOLAR IN端口可连接目前市面上任何种类（多晶、单晶、薄膜），标称（最大功率）电压为5V的太阳能板（开路电压通常在6V），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10W的太阳能电池板在SOLAR IN端口即可。

**注意：**输入电压严禁超过6.5V，否则可能永久损坏模块。

电池选型

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900mA，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900mA。对于常见的充电倍率为1C的锂电池，可选择容量为900mAh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。

**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

建议使用具有至少5V 1A负载能力的手机充电头用于USB充电。

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，但为了防止同时使用这两个端口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。

5V稳压输出

模块具有5V 1A高效率稳压输出，排针5V输出和USB OUT具有相同的输出电压，共享输出功率额度（不超过1A）。USB OUT不能被关闭，没有输出指示灯。

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）对排针上的5V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的蓝色排针上，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5V和GND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：

需要注意黑色排针上的GND与系统地GND的差异。当5V输出打开时,黑色排针上的GND与系统地GND相连。当5V输出关闭时，黑色排针上的GND与系统地GND断开。蓝色排针上的GND为系统地GND。

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。

• 充电指示灯：当使用USB或太阳能板对电池充电时，CHG指示灯（红色）点亮，充满时DONE指示灯（绿色）点亮，CHG USB熄灭。红、绿两灯同时点亮（USB IN或SOLAR IN有输入时）表示电池端未接入电池或电池接触不良。

• 稳压输出指示灯：ON指示灯（绿色）指示排针上的5V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。

散热片安装

当使用USB或10W以上太阳能板时，太阳能电源管理芯片CN3065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。

保护功能

• **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：**5V稳压输出（包括USB OUT）具有短路/过流保护，当输出电流由于过载或短路超过1A时，输出会被完全截止，保护电路免受损坏。
• **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，电池与模块的连接被断开（但允许放电），防止电池过冲。当锂电池电压下降低于2.4V时，电池与模块的连接被断开（但允许充电），防止电池过放。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。当锂电池输出电流超过3A时，芯片断开电池与系统连接，电池输出被关闭直到电流低于过流阈值。

应用实例

使用USB充电
利用USB充电功能，可为锂电池提供最高900mA的充电电流。使用该USB充电功能可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。

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）打开排针上的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。

常见问题

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'''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。

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'''Q2. '''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5V稳压输出为负载供电。

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更多

• 原理图

• 元件布局图&尺寸图

• DSC-CN3165数据手册

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