使用模拟元件管理低功耗太阳能系统中的电源

在低功率太阳能系统中，评估在给定时间是否有足够的阳光来为系统供电至关重要。在某些情况下，这涉及确定是否有足够的电力来启用微控制器。在许多超低功耗系统中，唤醒微控制器进行电压测量的简单行为可能会导致太阳能崩溃或浪费存储电容器的宝贵电力。

一种解决方案是将简单的模拟运算放大器合并到系统中。超低功耗模拟运算放大器可以支持微控制器周围的“始终开启”电路，并且可能是简单、的解决方案。

超低功耗运算放大器

图 1 至图 3 显示了一些简单电路，这些电路使用超低功耗运算放大器以连续“始终开启”测量模式评估太阳能电池的状态。该技术依赖于使用总功率尽可能低的运算放大器，主要由超低电源电压运行驱动。

图 1 中的电路显示了处于光伏零偏置模式的光电二极管。测量短路电流并将其转换为电阻器 R1 两端的电压，同时运算放大器的反馈作用迫使 D1 两端电压为 0 V。零偏置光伏电流是一个方便的参数，通常具有良好的特性，可以直接参考大多数光电二极管制造商的数据表。请注意，对于模拟运算放大器（在本例中为 Touchstone Semiconductor 的 TS1001 运算放大器）的轨到轨输入范围，光电二极管可以直接连接到正电源电压轨。

图 2 中的电路为类似的零偏置模式测量生成简单的正极性输出。在这种情况下，运算放大器对其输出进行伺服，以吸收足够的电流来支持 D1 的零偏置条件。这会在 TS1001 的负电源电压引脚上的电阻器 R1 上产生电压。由于该超低功耗运算放大器对该电流的贡献小于 1 μA，因此从 D1 测量的电流误差。

为了进行更全面的评估，图 3 中的电路测试太阳能源，看看它是否可以处理负载。所示电路进行此评估时不会给微控制器带来负担，也不会冒测量期间电源崩溃的风险。

大约每 100 毫秒，电路将太阳能电池电源与其储能电容器和负载断开，施加测试负载 (R1) 并评估由此产生的电压降。如果电压下降 25% 或更多，结果将被锁存到 U2 中，并向微控制器提供电源状态。

该超低功耗电路在 1V 电压下的电流消耗低于 3μA。运算放大器 U1 提供定时器功能并控制晶体管开关 T1 和 T2 以施加测试负载，同时断开负载。电容器 C1 暂时保持电压，以保持该电路和任何备用负载供电。运算放大器 U2 用作比较器，当电源电压下降超过 25%（具有 5% 迟滞）时就会跳闸。晶体管 T3 锁存结果，而晶体管 T4 在每个评估周期内重置锁存器以确保新的读数。

这种测试负载对于确定太阳能电池的可用功率很有用，因为仅仅测量开路电压通常不能提供准确的评估。

评估“永远在线”电路

一般来说，超低功耗运算放大器（例如 Touchstone Semiconductor 的 TS1001）是支持“始终开启”模拟电路的选择。例如，保证在 1V 电压下运行且消耗小于 1μA 电流的运算放大器可以配置为滤波器并持续开启，以便进行 ADC 测量的微控制器在滤波器稳定时不必保持通电状态。

总之，超低功耗运算放大器在低功耗太阳能系统中非常有用，可在施加负载之前评估太阳能电池的可用功率，并且通常支持待机、“始终开启”电路，同时消耗的电流可以忽略不计。