基于LT3652的太阳能无线路由供电系统

范洪亮

沈阳中科奥维科技股份有限公司 辽宁 沈阳 110000

1 太阳能供电系统组成

太阳能供电系统主要由负载路由器、太阳能控制器、太阳能发电板、太阳能电池组成。太阳能发电板将采集光能转换为电能输出，太阳能控制器主要将太阳能发电板输出的电能转化为稳定的电能供负载使用或者为太阳能电池进行充电，当太阳能发电板输出的功率较低无法满足负载工作时，太阳能电池放电为负载供电。当太阳能发电板输出功率恢复正常时继续为负载供电和为太阳能电池充电[1]。

1.1 负载功耗评估

1.1.1 模拟负载功耗计算，路由可带40个节点，连续工作7天。以一口井为单元计算包括2个压力表、1个示功仪、1个RTU共4个节点网关时隙长度为15.625ms,超帧长度为512为例，下表1、2、3、4、5为数据传输量。

表1 温度、压力表上行数据类型及上传间隔

根据表1可计算2个压力表1小时上传数包为：

根据表2计算示功仪1个小时上传数据包数为：

表2 示功仪上传数据类型及上传间隔

根据表3RTU每小时上传数据包为：

表3 RTU上传数据类型及上传间隔

由于各仪表配置参数及远程读取发送数据不方便统计，所以将每个仪表下行数据包×2即4个仪表总上行数据包为：

表4 网关下行节点数据包及间隔

网关1个小时下行节点数据包为：

路由1小时内转发40个节点数据包为10×（1280+68）=13480包

表5 路由本身上传数据类型及上传间隔

配置和远程读取未统计，所以路由上传数据包*2为：

路由自身+路由1小时内转发40个节点数据包为：

13480+54=13534包

路由数据率为13534/3600= 3.75包/S，将路由数据率设为250ms，每包数据128字节，通过功耗仪测试平均电流为6.8mA。

2路由+控制器+电源模块带40个节点，连续工作7天功耗为4.15mA。

1.2 太阳能电池选型

电池选择三元锂，标准电压11.1V，负载带20节点。连续工作7天功耗为：（14.2×11.1） mW×24h×（7+1）d=30.26wH。

电池容量=安全系数（1～1.4）×负载功率×供电时间×最长连续阴雨天数/（电池放深度×系统电压×电源模块转换效率）=1.4×30.26/（0.8×11.1）=4.77AH。厂家型号为2A一节，所以需要3并一共6AH。

充电电池带有充电保护板，充电保护板过充电保护电压为11.7 V ～13.2V，过充电解除电压11.4V ～13.2V。过放电检测电压6V ～9V，过放电解除电压6V～10.2V。

1.3 太阳能板选型

控制器的作用仅用来将太阳能板电能传输，并对电池进行充放电保护的作用，并且模拟锂电池的充电过程为电池充电，即控制器对电池充电无特别影响。对于电池充电效率主要为太阳能板选型。太阳能电池板需要4小时充满电，电池板的峰值电流大于1.5A。测试实际平均电流小0.1A电流，需要电池板峰值电流大于1.6A12V太阳能板的峰值电压为18V，太阳功率为18*1.6=28.8W由于在使用过程中出现灰尘、多云、线损等情况，增加余量取整功率30W。

1.4 太阳能控制器设计

太阳能控制器包含输入防护功能以及充电控制功能。输入防护包含太阳能防反接，防雷、防护静电，过流等保护功能。充电控制由LT3652实现，该充电IC具有峰值功率跟踪（MPPT）的输入电源电压调节功能。宽输入电压：4.95至32V，最大输入电压为40V。最大充电电流支持2A。支持配置充电截止条件，包含C/10h或内置充电终止定时器。本系统设计充电电压为12.6V，充电电流2A，最大功率电压为12.8V。

太阳能控制器对电池充电过程为预充、快充、充电结束四个阶段。如果控制器采集到电池电压非常低时，LT3652自动进入预充电池模式，该模式下充电电流为300mA，当充电电池的电压达到充满电压的70%时，LT3652自动进入快充模式，该模式下充电电流提高到2A，当充电池电压接近12.6V时，充电电流逐渐减少，此时充电电流由2A降低到300mA或者充电电池电压达到12.6V时，LT3652自动进入充电结束状态。当路由工作时，充电电池的电压由12.6V降低2.5%时，LT3652自动重新启动充电周期。此外，当充电电池进行更换或失效故障后，LT3652也自动重新启动充电周期。下面对每个管脚配置进行说明[2-3]：

1.4.1 引脚1（Vin）。该引脚为电源输入引脚，太阳能板的最大输出电压为18V。当太阳能输出电压大于电池浮充3.3V,充电IC进入工作模式。当电池充满电时，充电IC进入低功耗状态，充电IC输出电流小于100uA。由于Vin脚的输入电路和电压较大，所以在Vin脚添加一个低ESR的电容，降低系统噪声，本系统设置采用一个7RX材质的陶瓷电容进行滤波，电容容值为10uF。

1.4.2 引脚2（Vin_reg）。该引脚为输入电压调节基准，当该引脚的电压低于2.7V时最大充电电流减小。在Vin和该引脚连接一个分压电阻可使能最小运Vin的电压编程。该引脚通过用于设置太阳能发电板的峰值功率电压。LT3652通过调节最大充电电流以维持设置的Vin运行电压。如果未采用电压调节功能，需要将该引脚连接至Vin。本充电控制系统的最大功率电压为12.8V，针对最大功率电压VIN(min)的分压电阻Rin1和Rin2计算公式如下式所示：

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

1.4.3 引脚3（SHDN）。精准门限停机引脚，该引脚使能门限为1.2V，具有120mv的输入迟滞。当处于停机模式时，所有充电功能均被停用。该功能若无使用需求，直接将该引脚连接至Vin。本系统设计方案，通过连接一个发光二极管以及限流电阻和电源至该引脚，当系统发生故障时，可通过发光二极管的亮灭可直接获取到故障信息。

1.4.4 引脚4（CHRG）。集电极开率充电器状态输出。通常通过一个电阻上拉至一个基准电压。在一个充电周期内，如果所需的充电电流大于编程电流的1/10时，该引脚将被拉低，温度故障也会使引脚拉低，在充电结束后，则该引脚为高阻抗状态。若该功能暂无使用需求，直接将该引脚连接至Vin。本系统设计方案，通过连接一个发光二极管以及限流电阻和电源至该引脚，当系统发生故障时，可通过发光二极管的亮灭可直接获取到故障信息。

1.4.5 引脚5（FAULT）。集电极开路充电器状态输出。常通过一个电阻上拉至一个基准电压。在一个充电周期内，温度故障会导致该引脚输出拉低。

1.4.6 引脚6（TIMER）。周期结束定时器编程引脚，如果使用定时器设定充电结束，需要在该引脚与地之间连接一个电容器。本方案不采用该方案，直接将TIMER引脚连接至地。

1.4.7 引脚7（Vfb）。电池浮充电压反馈基准，充电功能运行在该引脚上现实一个3.3V的最终浮充电压。浮充电压采用一个电阻分压器来设置。浮充电压最大可设置为14.4V。设置浮充所需电阻遵循下面方程：

其中：VBAT(FLT)为12.6V，则R1=954K，R2=256k。

1.4.8 引脚8（NTC）。电池温度监视器引脚，该引脚是NTC热敏电阻温度监视电路的输入。该功能通过在NTC引脚和地之间连接一个10K、B=3380NTC热敏电阻来启动。由于本系统电池采用保温防护，不需要使用电池温度检测功能，所以该引脚处于浮空状态。

1.4.9 引脚9（BAT）。充电器输出监视引脚，连接一个10uF的去耦电容至地。本系统需要在无电池或者电池故障时，保证系统稳定输出能够正常保障路由器继续工作，所以在Vbat管脚连接一个额外的旁路电容，该旁路电容可视为一个并联电池组，当充电电池故障时，控制器为该旁路电容充电，此旁路电容需选用低ESR的钽电容或者有机半导体电容，电容容值为100uF。

1.4.10 引脚10（SENSE）。充电电流检测引脚，在SENSE引脚和BAT引脚之间连接电感器检测电阻（Rsense）该电阻器两端的电压设定平均充电电流。最大充电电流对应于检测电阻器两端上的100mV。可设定该电阻以设置高达2A的充电电流。检测电阻阻值遵循下面的关系式：

本设计方案的最大充电电流为2A，所以检测电阻为50mΩ。

1.4.11 引脚11（BOOST）。用于开关驱动器的自举电源轨。该引脚助长开关晶体管的饱和。在BOOST引脚和SW引脚之间连接一个1uF或者更大的电容器。去耦电容的电压通过二极管刷新，该二极管的正极连接至充电电池的输出端或者一个外部电源，而负极则连接在BOOST引脚。该二管的平均电流额定值大于100mA，且其反向电压额定值大于输出电压，一般取输出电压的1.5倍。

1.4.12 引脚12（SW）。开关输出引脚。该引脚是充电器开关的输出，而且对应于开关晶体管的发射极，当启用是，开关把SW引脚短接值VIN电源。

1.4.13 引脚13（GND）。接地基准和背部裸露引线框架热连接。

LT352 管脚配置基本设计完成，其余设计遵循参考设计即可。

3 现场使用反馈

目前该系统方案以大量应用于东北油田，经过一年的使用，通过路由的在网状态可发现该系统方案设计合理，系统能够保障在冬天稳定运行，且可连续工作多个阴雨天。但该方案唯一缺点是当系统未安装在户外时，长时间未充电状态下电池以及保护板和控制器处于放电状态，大概一个月的时间未使用时电池电量耗尽，出库时需对电池进行充电，充电一段时间需才可配置路由器的网络参数。

4 结束语

在本文中详细介绍太阳能供电系统的设计思路以及现场使用状态。太阳能供电系统应用解决户外取电困难等问题，同时也为油田节能减排、绿色能源的设计迈出成功一小步。