基于LT3652的太陽能無線路由供電系統

范洪亮

沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110000

1 太陽能供電系統組成

太陽能供電系統主要由負載路由器、太陽能控制器、太陽能發電板、太陽能電池組成。太陽能發電板將采集光能轉換為電能輸出，太陽能控制器主要將太陽能發電板輸出的電能轉化為穩定的電能供負載使用或者為太陽能電池進行充電，當太陽能發電板輸出的功率較低無法滿足負載工作時，太陽能電池放電為負載供電。當太陽能發電板輸出功率恢復正常時繼續為負載供電和為太陽能電池充電[1]。

1.1 負載功耗評估

1.1.1 模擬負載功耗計算，路由可帶40個節點，連續工作7天。以一口井為單元計算包括2個壓力表、1個示功儀、1個RTU共4個節點網關時隙長度為15.625ms,超幀長度為512為例，下表1、2、3、4、5為數據傳輸量。

表1 溫度、壓力表上行數據類型及上傳間隔

根據表1可計算2個壓力表1小時上傳數包為：

根據表2計算示功儀1個小時上傳數據包數為：

表2 示功儀上傳數據類型及上傳間隔

根據表3RTU每小時上傳數據包為：

表3 RTU上傳數據類型及上傳間隔

由于各儀表配置參數及遠程讀取發送數據不方便統計，所以將每個儀表下行數據包×2即4個儀表總上行數據包為：

表4 網關下行節點數據包及間隔

網關1個小時下行節點數據包為：

路由1小時內轉發40個節點數據包為10×（1280+68）=13480包

表5 路由本身上傳數據類型及上傳間隔

配置和遠程讀取未統計，所以路由上傳數據包*2為：

路由自身+路由1小時內轉發40個節點數據包為：

13480+54=13534包

路由數據率為13534/3600= 3.75包/S，將路由數據率設為250ms，每包數據128字節，通過功耗儀測試平均電流為6.8mA。

2路由+控制器+電源模塊帶40個節點，連續工作7天功耗為4.15mA。

1.2 太陽能電池選型

電池選擇三元鋰，標準電壓11.1V，負載帶20節點。連續工作7天功耗為：（14.2×11.1） mW×24h×（7+1）d=30.26wH。

電池容量=安全系數（1～1.4）×負載功率×供電時間×最長連續陰雨天數/（電池放深度×系統電壓×電源模塊轉換效率）=1.4×30.26/（0.8×11.1）=4.77AH。廠家型號為2A一節，所以需要3并一共6AH。

充電電池帶有充電保護板，充電保護板過充電保護電壓為11.7 V ～13.2V，過充電解除電壓11.4V ～13.2V。過放電檢測電壓6V ～9V，過放電解除電壓6V～10.2V。

1.3 太陽能板選型

控制器的作用僅用來將太陽能板電能傳輸，并對電池進行充放電保護的作用，并且模擬鋰電池的充電過程為電池充電，即控制器對電池充電無特別影響。對于電池充電效率主要為太陽能板選型。太陽能電池板需要4小時充滿電，電池板的峰值電流大于1.5A。測試實際平均電流小0.1A電流，需要電池板峰值電流大于1.6A12V太陽能板的峰值電壓為18V，太陽功率為18*1.6=28.8W由于在使用過程中出現灰塵、多云、線損等情況，增加余量取整功率30W。

1.4 太陽能控制器設計

太陽能控制器包含輸入防護功能以及充電控制功能。輸入防護包含太陽能防反接，防雷、防護靜電，過流等保護功能。充電控制由LT3652實現，該充電IC具有峰值功率跟蹤（MPPT）的輸入電源電壓調節功能。寬輸入電壓：4.95至32V，最大輸入電壓為40V。最大充電電流支持2A。支持配置充電截止條件，包含C/10h或內置充電終止定時器。本系統設計充電電壓為12.6V，充電電流2A，最大功率電壓為12.8V。

太陽能控制器對電池充電過程為預充、快充、充電結束四個階段。如果控制器采集到電池電壓非常低時，LT3652自動進入預充電池模式，該模式下充電電流為300mA，當充電電池的電壓達到充滿電壓的70%時，LT3652自動進入快充模式，該模式下充電電流提高到2A，當充電池電壓接近12.6V時，充電電流逐漸減少，此時充電電流由2A降低到300mA或者充電電池電壓達到12.6V時，LT3652自動進入充電結束狀態。當路由工作時，充電電池的電壓由12.6V降低2.5%時，LT3652自動重新啟動充電周期。此外，當充電電池進行更換或失效故障后，LT3652也自動重新啟動充電周期。下面對每個管腳配置進行說明[2-3]：

1.4.1 引腳1（Vin）。該引腳為電源輸入引腳，太陽能板的最大輸出電壓為18V。當太陽能輸出電壓大于電池浮充3.3V,充電IC進入工作模式。當電池充滿電時，充電IC進入低功耗狀態，充電IC輸出電流小于100uA。由于Vin腳的輸入電路和電壓較大，所以在Vin腳添加一個低ESR的電容，降低系統噪聲，本系統設置采用一個7RX材質的陶瓷電容進行濾波，電容容值為10uF。

1.4.2 引腳2（Vin_reg）。該引腳為輸入電壓調節基準，當該引腳的電壓低于2.7V時最大充電電流減小。在Vin和該引腳連接一個分壓電阻可使能最小運Vin的電壓編程。該引腳通過用于設置太陽能發電板的峰值功率電壓。LT3652通過調節最大充電電流以維持設置的Vin運行電壓。如果未采用電壓調節功能，需要將該引腳連接至Vin。本充電控制系統的最大功率電壓為12.8V，針對最大功率電壓VIN(min)的分壓電阻Rin1和Rin2計算公式如下式所示：

其中：VIN(min)為12.8V，去RIN1為1K,則R in2=3.73k。

1.4.3 引腳3（SHDN）。精準門限停機引腳，該引腳使能門限為1.2V，具有120mv的輸入遲滯。當處于停機模式時，所有充電功能均被停用。該功能若無使用需求，直接將該引腳連接至Vin。本系統設計方案，通過連接一個發光二極管以及限流電阻和電源至該引腳，當系統發生故障時，可通過發光二極管的亮滅可直接獲取到故障信息。

1.4.4 引腳4（CHRG）。集電極開率充電器狀態輸出。通常通過一個電阻上拉至一個基準電壓。在一個充電周期內，如果所需的充電電流大于編程電流的1/10時，該引腳將被拉低，溫度故障也會使引腳拉低，在充電結束后，則該引腳為高阻抗狀態。若該功能暫無使用需求，直接將該引腳連接至Vin。本系統設計方案，通過連接一個發光二極管以及限流電阻和電源至該引腳，當系統發生故障時，可通過發光二極管的亮滅可直接獲取到故障信息。

1.4.5 引腳5（FAULT）。集電極開路充電器狀態輸出。常通過一個電阻上拉至一個基準電壓。在一個充電周期內，溫度故障會導致該引腳輸出拉低。

1.4.6 引腳6（TIMER）。周期結束定時器編程引腳，如果使用定時器設定充電結束，需要在該引腳與地之間連接一個電容器。本方案不采用該方案，直接將TIMER引腳連接至地。

1.4.7 引腳7（Vfb）。電池浮充電壓反饋基準，充電功能運行在該引腳上現實一個3.3V的最終浮充電壓。浮充電壓采用一個電阻分壓器來設置。浮充電壓最大可設置為14.4V。設置浮充所需電阻遵循下面方程：

其中：VBAT(FLT)為12.6V，則R1=954K，R2=256k。

1.4.8 引腳8（NTC）。電池溫度監視器引腳，該引腳是NTC熱敏電阻溫度監視電路的輸入。該功能通過在NTC引腳和地之間連接一個10K、B=3380NTC熱敏電阻來啟動。由于本系統電池采用保溫防護，不需要使用電池溫度檢測功能，所以該引腳處于浮空狀態。

1.4.9 引腳9（BAT）。充電器輸出監視引腳，連接一個10uF的去耦電容至地。本系統需要在無電池或者電池故障時，保證系統穩定輸出能夠正常保障路由器繼續工作，所以在Vbat管腳連接一個額外的旁路電容，該旁路電容可視為一個并聯電池組，當充電電池故障時，控制器為該旁路電容充電，此旁路電容需選用低ESR的鉭電容或者有機半導體電容，電容容值為100uF。

1.4.10 引腳10（SENSE）。充電電流檢測引腳，在SENSE引腳和BAT引腳之間連接電感器檢測電阻（Rsense）該電阻器兩端的電壓設定平均充電電流。最大充電電流對應于檢測電阻器兩端上的100mV?？稍O定該電阻以設置高達2A的充電電流。檢測電阻阻值遵循下面的關系式：

本設計方案的最大充電電流為2A，所以檢測電阻為50mΩ。

1.4.11 引腳11（BOOST）。用于開關驅動器的自舉電源軌。該引腳助長開關晶體管的飽和。在BOOST引腳和SW引腳之間連接一個1uF或者更大的電容器。去耦電容的電壓通過二極管刷新，該二極管的正極連接至充電電池的輸出端或者一個外部電源，而負極則連接在BOOST引腳。該二管的平均電流額定值大于100mA，且其反向電壓額定值大于輸出電壓，一般取輸出電壓的1.5倍。

1.4.12 引腳12（SW）。開關輸出引腳。該引腳是充電器開關的輸出，而且對應于開關晶體管的發射極，當啟用是，開關把SW引腳短接值VIN電源。

1.4.13 引腳13（GND）。接地基準和背部裸露引線框架熱連接。

LT352 管腳配置基本設計完成，其余設計遵循參考設計即可。

3 現場使用反饋

目前該系統方案以大量應用于東北油田，經過一年的使用，通過路由的在網狀態可發現該系統方案設計合理，系統能夠保障在冬天穩定運行，且可連續工作多個陰雨天。但該方案唯一缺點是當系統未安裝在戶外時，長時間未充電狀態下電池以及保護板和控制器處于放電狀態，大概一個月的時間未使用時電池電量耗盡，出庫時需對電池進行充電，充電一段時間需才可配置路由器的網絡參數。

4 結束語

在本文中詳細介紹太陽能供電系統的設計思路以及現場使用狀態。太陽能供電系統應用解決戶外取電困難等問題，同時也為油田節能減排、綠色能源的設計邁出成功一小步。