Solar Power Manager太阳能电源管理系列

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

微功率太阳能电源管理模块是一款专为1V~3V低电压小型太阳能板设计的用于向物联网关键组成部分的低功耗无线传感器供电的微功率太阳能电源管理模块，可用于户外或者室内靠窗附近有阳光直射或散射的地方。该模块自身功耗极低，能最大化太阳能转换效率，使低功耗无线传感器的终身免充电、免换电池成为可能。模块采用恒定电压比例最大功率点跟踪MPPT算法，可最大化太阳能板在各种光照条件下的输出功率。可使用常见的3.7V锂电池，具有太阳能/USB两种充电方式，两种方式分别最大可提供70mA和100mA充电电流。模块带有一路3.3V 90mA稳压输出，可应付大部分低功耗无线传感器收发过程的突发电流。

特性

• 恒定电压比例最大功率点跟踪MPPT算法，最大化太阳能转换率
• 专为1V`3V低电压太阳能板打造，超低功耗设计
• 太阳能/USB两种充电方式，使用灵活
• 多种保护电路，延长电池寿命

技术规格

微功率太阳能管理模块

• 太阳能充电管理芯片：SPV1050
• 太阳能板输入电压(SOLAR IN)：0.5V~4V
• 电池类型：3.7V锂聚合物/锂离子电池
• 最大充电电流：100mA@USB IN 70mA@SOLAR IN
• 充电截止电压/过冲保护：4.2V
• 过放保护电压：3.1V
• 稳压输出(OUT)：3.3V 90mA @ BAT IN 3.7V
• 工作电流：< 3uA
• 保护功能
  • 电池过冲保护,过放保护,反接保护
  • 稳压输出过流、短路保护
• 工作温度：-40℃～85℃
• 尺寸：30.0mm*30.0mm

太阳能板 2V 160mA

• 额定电压（V_MP）：2V
• 额定电流（I_MP）：160mA
• 开路电压（V_OC）：2.4V
• 短路电流（I_SC）：190mA
• 太阳能电池材料：单晶硅
• 其它特性：防水，耐油，抗压耐腐蚀
• 尺寸：50mm*50mm

应用场景

• 分布式无线环境监控网
• 蓝牙iBeacon定位
• 太阳能小型玩具

接口说明

快速使用

使用太阳能为低功耗无线传感器供电

• 将3.7V锂电池连接到BAT IN端口。
• 将随模块附送的2V 160mA太阳能板焊接到SOLAR IN端口。
• 按照OUT所标正负极通过焊接连线到无线传感器的供电端口上（通常标有VCC的引脚）。
• 短按BOOT启动电路，使OUT正常输出3.3V。

注意：

当仅连接太阳能板而不连接电池时，OUT无任何带负载能力，请连接电池使用。

若SOLAR IN未接入太阳能板，第一次装入或每次更换电池时，模块OUT无3.3V输出。短按BOOT按钮会将电池BAT IN正极与太阳能输入端SOLAR IN正极短接以激活电路，使OUT恢复正常3.3V供电输出。

若SOLAR IN已接入太阳能板，且太阳能板已置于有阳光的地方，电路将会自动激活，OUT正常输出3.3V，无需按动BOOT按钮。

模块会由于输出短路或者过大的瞬时电流而进入保护，OUT输出截止。排除故障后，可短按BOOT按钮重新激活电路，使输出恢复正常。

BAT IN端的PH2.0-2P插座和焊盘在模块内部直接相连，用户选择其中一种方式连接电池即可。

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，该值通常为开路电压的70% ~ 80%，即V_MP=（70% ~ 80%）*V_OC。

本模块使用的ST SPV1050微功率太阳能电源管理芯片采用恒定电压比例MPPT算法，通过将太阳能板的输出电压控制在开路电压的75%，即最大功率点附近，以最大化太阳能板的输出功率。

太阳能板选型

SOLAR IN端口可连接目前市面上任何种类（非晶、多晶、单晶），标称电压为1V ~ 3V的低电压小型太阳能板。随模块附送的2V 160mA多晶太阳能板（尺寸：50mm*50mm）可满足大部分低功耗无线传感器的用电需求。若需要用于户外运动或可穿戴场景的可折叠太阳能板也可选用一片DFRobot的柔性薄膜太阳能，其具有1.5V 250mA充足的功率余量，单片连接至本太阳能电源管理模块即可，无需额外多片进行串并联。 模块对电池可达到的最大充电电流与SOLAR IN的输入电压有关。1V输入电压时，最大充电电流为13mA；2V时，为30mA；3V时，为50mA。基本上输入电压越大，可达到的最大充电电流越大，用户可据此选择太阳能板的额定电压与电池容量。

警告

电池输入端SOLAR IN的极限输入电压为BAT IN端电池电压+0.3V,对于一节充满的3.7V锂电池，该极限电压为4.5V。实际使用中SOLAR IN输入电压不应该超过4V，否则会导致模块永久损坏。

电池选型

模块可使用常规的3.7V锂电池。锂电池最大允许充电电流与电池的冲电倍率与容量有关，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100mA。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100mA。对于常见的充电倍率为1C的锂电池，可选择容量为100mAh以上电池。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。

LED 指示灯

模块上有两种LED指示灯，分别指示模块不同部分的工作状态：

• 反接指示：当电池接反时，同时相应的反接指示灯REV 点亮（橘色），提示用户连线错误。

• USB充电指示灯：当使用USB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。若无电池时DONE常亮，CHG USB闪烁。太阳能充电无充电指示灯。

太阳能充电指示

本模块主要用于低功耗应用，为了进一步提高效率，降低模块自身功耗，使用太阳能充电时，没有充电指示灯。只要在SOLAR IN加入0.5V~4V电压，模块即对电池进行充电，充满自动停止，防止过冲。

保护功能

• **反接保护：**在电池接口BAT IN有防反接保护，反接时相应指示灯点亮，相应的防反接保护电路被激活，保护电路不被损坏。

• **稳压输出保护：**3.3V稳压输出具有短路/过流保护，当输出电流由于过载或短路超过160mA时，输出会被完全截止，保护电路免受损坏。排除故障后，按动BOOT按键即可恢复输出。

• **电池过冲、过放保护：**模块的充电截止电压为4.2V，保护电池不被过冲。当电池由于放电，电压下降到3.1V时，电池输入回路被断开，防止电池过放。

关于电池保护
过冲与过放对电池的损害巨大，会大大降低电池寿命，锂电池充电器一般具有充电截止功能，保护电池不被过冲。但过放电路一般依赖于与电池封装在一起的保护电路，若电池不作任何保护，且用电模块不带有低电压提示，电池在正常使用中最容易遇到的问题就是过放，用户可能一直使用到模块不工作为止才知道需要充电，但此时电池已发生过度放电，使电池产生损伤，降低使用寿命。

应用实例

使用USB给小容量3.7V锂电池充电
使用USB充电功能，可为3.7V锂电池提供最高100mA的充电电流。不少锂电池专用充电器或充电模块的充电电流为2A、1A或500mA，这超过了常见的1C冲电倍率、容量在500mAh锂电池的最大允许充电电流。使用该模块可为这类小容量的锂电池（绝大部分容量在100mAh以上）提供安全的充电电流。当然实际充电时间与电池容量有关，电池容量越大，充满时间越久。

使用3.7V锂电池与太阳能为micro：bit供电
根据micro:bit官方的建议，其电池接口最大支持3.3V电压，这使常见的3.7V锂聚合物电池（充满电压可达4.2V）无法使用。该模块可将3.7V锂电池电压降到3.3V，这样就可以安全地为Micro:bit进行供电。当电池接近耗尽时，模块的保护电路能避免所连接的电池过度放电，用户也可以利用USB充电功能为电池充电。更为重要的是，该模块为micro:bit这类低功耗主控提供高效率的太阳能供电方式与电池电源管理，实现延长电池续航，保护电池的功能。若使用3.7V 200mAh锂电池，在micro:bit所有LED灯全开，蓝牙打开的条件下，续航约8h。若辅以太阳能板供电，根据太阳能板的额定功率与当地光照强度，则可进一步延长电池续航，甚至实现24小时不间断工作。

为FireBeetle系列主控增加太阳能供电功能
DFRobot FireBeetle萤火虫系列以其丰富的外设和接口，wifi和蓝牙两种无线通信方式，还有专为物联网打造的低功耗能力和极高的性价比受到了广大创客用户的喜爱。在制作以FireBeetle为主控的户外分布式无线传感节点这类物联网项目时，包括传感器在内的整个系统通过电池供电，若使用该微功率太阳能电源管理板BAT IN电池端的引出焊盘和随模块附送的PH2.0-2P公头电源线，可以将电池同时连接到FireBeetle主控板和Solar Power Manager Micro上，白天通过小型太阳能板使用电源管理板为电池小电流充电，晚上使用电池为整个系统供电。值得注意的是，这里使用电池对FireBeetle直接供电，而没有使用3.3V输出口，电源管理模块仅实现太阳能板对电池充电与电池保护功能。这是因为FireBeetle虽然能进入低功耗模式，但是启动电流较大，会模块导致3.3V输出过流保护，启动失败。

这种太阳能供电方式可实现微功率系统全年不间断供电（需要用户通过编程对系统作低功耗设计），无需更换电池或充电，尤其在十个甚至数十个节点这种有一定规模的物联网无线传感节点时，这种方案极大节约了系统维护的时间和人力成本。即使在太阳能功率不足的情况下，这种配置仍可极大延长电池的续航，延长了维护电池（充电或更换电池）的周期，同样降低了维护成本。

常见问题

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