最新 Raspberry Pi 3 等低成本單板計(jì)算機(jī)在監(jiān)視和控制應(yīng)用的無(wú)頭嵌入式設(shè)計(jì)中使用越來(lái)越普遍。 使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)可在 Linux 發(fā)行版上運(yùn)行的應(yīng)用程序并在開(kāi)發(fā)板上集成無(wú)線連接，這樣為開(kāi)發(fā)和提供創(chuàng)新應(yīng)用程序開(kāi)辟了新的方式。

雖然主流的 5V 手機(jī)充電器可相對(duì)輕松地為此類(lèi)開(kāi)發(fā)板供電，但使用從環(huán)境中收集的能量也日益受到關(guān)注。 這能為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供更大的靈活性，可將開(kāi)發(fā)板置于不便通過(guò)電源線供電的位置。 這些開(kāi)發(fā)板在沒(méi)有外部電源的情況下，將無(wú)法使用充電電池，但這一電源要求的問(wèn)題可通過(guò)太陽(yáng)能電池解決。

用太陽(yáng)能電池為嵌入式單板計(jì)算機(jī)供電，這對(duì)于無(wú)需屏幕的系統(tǒng)而言越來(lái)越可行。 隨著開(kāi)發(fā)板上的器件功耗下降、太陽(yáng)能電池和電源管理芯片的效率有所提高，現(xiàn)可使用太陽(yáng)能電池直接為開(kāi)發(fā)板供電，并為電池子系統(tǒng)進(jìn)行涓流充電。 這使得電池能為單板計(jì)算機(jī)和通信鏈路充電數(shù)月或長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。

Raspberry Pi 推出的 Raspberry Pi 3 正是此趨勢(shì)的關(guān)鍵部分，它將 Wi-Fi 和藍(lán)牙功能集成于搭載 1.2 GHz 四核 ARM® Cortex®-A53 處理器的開(kāi)發(fā)板上。 這避免了通過(guò) USB 端口使用無(wú)線適配器的較高功耗。 該開(kāi)發(fā)板指定的最大工作電流為 2.4 A，可支持 USB 端口的外設(shè)。

開(kāi)發(fā)板在待機(jī)模式時(shí)功耗為 31mA，在處理器和存儲(chǔ)器負(fù)載下功耗則上升至 580 mA。 另一種電流負(fù)載為 SMSCLAN9514 USB 控制器，其在掛起模式時(shí)消耗 74 mA。 以太網(wǎng)連接的 594 mA 則不大可能相關(guān)，因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)以太網(wǎng)電纜進(jìn)行供電。

圖 1： Raspberry Pi 推出的 Raspberry Pi 3 開(kāi)發(fā)板集成了無(wú)線連接。

無(wú)線連接的功耗取決于所設(shè)定的占空比，應(yīng)將其設(shè)定在主板之后啟動(dòng)，以避免過(guò)高的峰值電流需求。

這確定了約 700 mA 到 900 mA 的啟動(dòng)功率要求以及約 150 mA 的空閑功率（需從能量收集源獲得）。

所需功率可由一系列太陽(yáng)能板提供，如 MikroElektronika 的 MIKROE-651。 這些太陽(yáng)能板在 100mA 時(shí)提供 4 V 輸出，允許多達(dá)九塊尺寸為 70 × 65 mm 的太陽(yáng)能板并行提供啟動(dòng)電流。 或者，Panasonic 的 150 x 37mm AM-5902 也可提供最高 60 mA 的電流，需要三塊太陽(yáng)能板維持空閑功率需求。

圖 2： Panasonic 的 AM-5902 太陽(yáng)能板。

其中兩塊太陽(yáng)能板將提供空閑功率，這表明需要一塊備用的充電電池和一個(gè)電源管理子系統(tǒng)。 這樣，在收集數(shù)據(jù)或?qū)⒋藬?shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)時(shí)，這些太陽(yáng)能板就可用于為電池進(jìn)行涓流充電，以支持開(kāi)發(fā)板的峰值用電量。

充電電池子系統(tǒng)可通過(guò)某些設(shè)備進(jìn)行管理，例如 Texas Instruments 的 bq25504。 此設(shè)備用來(lái)為電池充電，并確保在太陽(yáng)能電池供電下降時(shí)電池不會(huì)放電，同時(shí)還可管理能量收集裝置等波動(dòng)源。

為了提供單板計(jì)算機(jī)所需的 5 V 電壓，可將兩塊太陽(yáng)能板并聯(lián)，然后連接到一塊充電電池上，以提供所需電流。

除了電池之外，還需要一個(gè)開(kāi)關(guān)模式升壓或降壓轉(zhuǎn)換器和電池充電器。 轉(zhuǎn)換器確保太陽(yáng)能板產(chǎn)生的所有能量都可由電池獲取，它連接電感器和電源，允許電感器累積電流，進(jìn)而在電感器中存儲(chǔ)能量。 在第二個(gè)周期中，電流路徑的變化使電感器將累積的能量傳輸給負(fù)載。 負(fù)載電壓可能高于或者低于電感器電源的電壓。

圖 3： bq25504 電源管理芯片與電池和太陽(yáng)能板連接。

但是，如果將電感器直接連接到太陽(yáng)能板則導(dǎo)致效率低下，所以還采用了電容器。 通過(guò)監(jiān)控電容器中的電壓，開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器可在太陽(yáng)能板輸出達(dá)到峰值時(shí)激活。 當(dāng)輸出電壓不足以開(kāi)啟轉(zhuǎn)換器時(shí)，電容器也能從太陽(yáng)能電池中獲取能量，進(jìn)而收集并存儲(chǔ)所有能量。

這意味著當(dāng)電容器有充足電量時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)以猝發(fā)模式工作，實(shí)現(xiàn)電池快速充電。 但由于無(wú)法指示下一次能量猝發(fā)的時(shí)間，所以很難結(jié)束快速充電。

一種方法是使用另一個(gè)比較器監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)電壓達(dá)到最大值時(shí)禁用開(kāi)關(guān)，而當(dāng)電壓降至預(yù)定水平之下時(shí)啟用開(kāi)關(guān)。

bq25504 旨在使用高效升壓轉(zhuǎn)換器和充電器來(lái)有效地獲取和管理太陽(yáng)能電池的輸出。 該器件通過(guò)只需從太陽(yáng)能電池獲取微瓦功率的 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器/充電器啟動(dòng)，之后就可開(kāi)始工作并有效提取電能。

在圖 3 所展示的典型電路中，太陽(yáng)能板與 bq25504 和電池子系統(tǒng)相連，收集電流為開(kāi)發(fā)板供電。 bq25504 使用電池監(jiān)控輸出，可以連接到 Raspberry Pi 3 開(kāi)發(fā)板的通用 IO 管腳。 bq25504 安裝在圖 4 所示的評(píng)估板上，用來(lái)提供太陽(yáng)能電池和電池之間的鏈路。

當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器輸出 VSTOR 達(dá)到 1.8 V，可為轉(zhuǎn)換器供電時(shí)，主升壓轉(zhuǎn)換器就能更有效地從太陽(yáng)能電池獲取電能。 它在低至 330 mV 的 VIN_DC 典型值時(shí)啟動(dòng)，當(dāng) VSTOR 達(dá)到 1.8 V，可繼續(xù)收集能量直至 VIN_DC 降至約 120 mV。 集成 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器也由 VSTOR 供電，如果輸入電量可用，則可自 VOUT 引腳提供高達(dá) 100 mA 的電流。

圖 4： bq25504 評(píng)估板可用于通過(guò)太陽(yáng)能電池為 Raspberry Pi 3 開(kāi)發(fā)板供電。

轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)關(guān)鍵元素在于跟蹤太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn) (MPP)。 此 MPP 會(huì)隨著太陽(yáng)能板上的光量和溫度發(fā)生變化，并實(shí)施一種可編程的最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 采樣網(wǎng)絡(luò)，以?xún)?yōu)化通向設(shè)備的電能傳輸。 通過(guò)禁用升壓轉(zhuǎn)換器 256 ms，bq25504 每 16 秒對(duì)開(kāi)路輸入電壓進(jìn)行定期采樣，并在 VREF_SAMP 的外部基準(zhǔn)電容器 (C2) 上存儲(chǔ) OC 電壓的已編程 MPP 比。 通常，當(dāng)太陽(yáng)能電池負(fù)載約 80％ 的輸出電壓時(shí)，電池會(huì)處于其 MPP，而當(dāng)電池低于用戶已編程的最大電壓 (VBAT_OV) 時(shí)，升壓充電器會(huì)為太陽(yáng)能電池施加負(fù)載直至 VIN_DC 達(dá)到 MPP 電壓。 此后，升壓充電器會(huì)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓直至輸出達(dá)到 VBAT_OV，確保將最大電量傳輸?shù)诫姵亍?這些電量將用于提供開(kāi)發(fā)板所需的功率。

結(jié)論

要將 Raspberry Pi 3 等集成了無(wú)線連接的 5 V 單板計(jì)算機(jī)連接到太陽(yáng)能電池，需要使用中間電池和電源管理子系統(tǒng)來(lái)提供所需的穩(wěn)定電流。 使用 bq25504 等器件能提供最大功率點(diǎn)跟蹤，確保優(yōu)化電池充電并提供一個(gè)返回開(kāi)發(fā)板的控制線路。 由此，開(kāi)發(fā)板可在電源不可用的區(qū)域使用，而且仍能將數(shù)據(jù)返回至網(wǎng)絡(luò)中。