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)用的無頭嵌入式設(shè)計(jì)中使用越來越普遍。 使用高級語言開發(fā)可在 Linux 發(fā)行版上運(yùn)行的應(yīng)用程序并在開發(fā)板上集成無線連接，這樣為開發(fā)和提供創(chuàng)新應(yīng)用程序開辟了新的方式。

雖然主流的 5V 手機(jī)充電器可相對輕松地為此類開發(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，可將開發(fā)板置于不便通過電源線供電的位置。 這些開發(fā)板在沒有外部電源的情況下，將無法使用充電電池，但這一電源要求的問題可通過太陽能電池解決。

用太陽能電池為嵌入式單板計(jì)算機(jī)供電，這對于無需屏幕的系統(tǒng)而言越來越可行。 隨著開發(fā)板上的器件功耗下降、太陽能電池和電源管理芯片的效率有所提高，現(xiàn)可使用太陽能電池直接為開發(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)月或長達(dá)數(shù)年。

Raspberry Pi 推出的 Raspberry Pi 3 正是此趨勢的關(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 處理器的開發(fā)板上。 這避免了通過 USB 端口使用無線適配器的較高功耗。 該開發(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)。

開發(fā)板在待機(jī)模式時功耗為 31mA，在處理器和存儲器負(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^以太網(wǎng)電纜進(jìn)行供電。

圖 1： Raspberry Pi 推出的 Raspberry Pi 3 開發(fā)板集成了無線連接。

無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，以避免過高的峰值電流需求。

這確定了約 700 mA 到 900 mA 的啟動功率要求以及約 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能板提供，如 MikroElektronika 的 MIKROE-651。 這些太陽能板在 100mA 時提供 4 V 輸出，允許多達(dá)九塊尺寸為 70 × 65 mm 的太陽能板并行提供啟動電流。 或者，Panasonic 的 150 x 37mm AM-5902 也可提供最高 60 mA 的電流，需要三塊太陽能板維持空閑功率需求。

圖 2： Panasonic 的 AM-5902 太陽能板。

其中兩塊太陽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，這些太陽能板就可用于為電池進(jìn)行涓流充電，以支持開發(fā)板的峰值用電量。

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

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，還需要一個開關(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)而在電感器中存儲能量。 在第二個周期中，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能板連接。

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

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

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

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

在圖 3 所展示的典型電路中，太陽能板與 bq25504 和電池子系統(tǒng)相連，收集電流為開發(fā)板供電。 bq25504 使用電池監(jiān)控輸出，可以連接到 Raspberry Pi 3 開發(fā)板的通用 IO 管腳。 bq25504 安裝在圖 4 所示的評估板上，用來提供太陽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，主升壓轉(zhuǎn)換器就能更有效地從太陽能電池獲取電能。 它在低至 330 mV 的 VIN_DC 典型值時啟動，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 評估板可用于通過太陽能電池為 Raspberry Pi 3 開發(fā)板供電。

轉(zhuǎn)換器中的一個關(guān)鍵元素在于跟蹤太陽能電池的最大功率點(diǎn) (MPP)。 此 MPP 會隨著太陽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)，以優(yōu)化通向設(shè)備的電能傳輸。 通過禁用升壓轉(zhuǎn)換器 256 ms，bq25504 每 16 秒對開路輸入電壓進(jìn)行定期采樣，并在 VREF_SAMP 的外部基準(zhǔn)電容器 (C2) 上存儲 OC 電壓的已編程 MPP 比。 通常，當(dāng)太陽能電池負(fù)載約 80％ 的輸出電壓時，電池會處于其 MPP，而當(dāng)電池低于用戶已編程的最大電壓 (VBAT_OV) 時，升壓充電器會為太陽能電池施加負(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發(fā)板所需的功率。

結(jié)論

要將 Raspberry Pi 3 等集成了無線連接的 5 V 單板計(jì)算機(jī)連接到太陽能電池，需要使用中間電池和電源管理子系統(tǒng)來提供所需的穩(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返回開發(fā)板的控制線路。 由此，開發(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。