專利名稱：模擬光能電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
模擬光能電路技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種光能電路(Photovoltaic Power Circuit)，例如太陽能電池 (Solar Cell Battery)，特別是指一種以模擬元件制作的光能電路，其電路結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)較數(shù)字光能電路精簡。
背景技術(shù)：
[0002]為適應(yīng)能源危機(jī)以及全球能源庫存量不足的問題，目前已有越來越多的先進(jìn)國家投入研究太陽能電池。太陽能電池屬于光能電路的一種，其基本原理是利用半導(dǎo)體PN二極管接面的特性，當(dāng)該二極管接面接收到光能時，可將其轉(zhuǎn)換成電能，并利用該電能對電池充電，以產(chǎn)生電力。二極管產(chǎn)生電能的V-I (電壓-電流)關(guān)系如圖1所示，其中實線表示電壓與電流的關(guān)系，虛線表示電壓與電流的乘積，亦即功率(power)。圖中假設(shè)所接收到的光能不變，故僅顯示一條曲線，但若接收到的光能產(chǎn)生變化時，曲線也會相應(yīng)變化。[0003]如圖1所示，最大電壓點Voc位于斷路位置，最大電流點Isc位于短路位置，但若欲取得最大的能量輸出，則最佳輸出點并非位于最大電壓或最大電流處，而是位于電能曲線的最佳功率輸出點(Maximum Power Point，MPP)，其對應(yīng)的電壓與電流分別為Vmpp 與Impp。且由于所接收到的光能經(jīng)常并非定值，因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，通常必須設(shè)計復(fù)雜精密的數(shù)字電路，以供計算所萃取的電能是否位于該光能下的最佳功率輸出點(以下簡稱 MPP)。[0004]現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字光能電路的一例可參照美國專利第6984970號，該案所揭示的電路大致如圖2所示，其中光能元件(photovoltaic device) 2所產(chǎn)生的電壓Vin，通過一個功率輸出級(power Stage)3進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后成為輸出電壓Vo，對負(fù)載4進(jìn)行供電，該負(fù)載 4例如可以是一個充電電池，而功率輸出級3則例如可以是升壓電路、降壓電路、反壓電路、 返馳電路等。為了使功率輸出級3能適當(dāng)在MPP處萃取電能，電路中設(shè)有一個數(shù)字控制器 5，此數(shù)字控制器5中的數(shù)字計算模塊51 (其例如為數(shù)字微控制器)根據(jù)輸入電壓Vin的數(shù)值與萃取電流i的數(shù)值，不斷進(jìn)行相乘以計算MPP，并根據(jù)MPP計算最佳電壓值Vmpp。所計算出的最佳電壓值Vmpp再與輸入電壓Vin進(jìn)行比較，以令控制電路52產(chǎn)生訊號，決定如何控制功率輸出級3。圖2所示的電路，其數(shù)字控制器5的設(shè)計十分復(fù)雜，所需的晶體管元件數(shù)目相當(dāng)大，并且需要模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)來擷取電壓電流信號，因此不但增加設(shè)計上的困難，且也勢必提高電路的整體成本。[0005]另一現(xiàn)有技術(shù)揭示于美國專利申請公開案第2006/0164065號，該案僅概略說明其包含“搜尋(search)”和“擺動(dithering) ”兩個模式，在啟始的搜尋模式中先掃描 (sweep)整個電壓-電流曲線，以從其中找到MPP，接著才進(jìn)入正常工作模式(擺動模式)， 在此模式中根據(jù)該MPP點的電流值操作，并進(jìn)行間歇性地取樣更新(以上內(nèi)容例如可參考該案說明書第8段、第10段、第33段、圖5，等等)。然而，對于如何達(dá)成掃描步驟，該案并未詳細(xì)揭露電路細(xì)節(jié)。[0006]雖然該案并未詳細(xì)揭露電路細(xì)節(jié)，但由其所說明的搜尋模式與掃描步驟，可看出該案即使不進(jìn)行電壓-電流值的乘算(事實上在該案中無法看出如何省略電壓-電流值的乘算步驟)，也勢必需要用到許多輔助數(shù)字電路如內(nèi)存或緩存器、以及比較器之類，否則無法選擇并記錄最佳功率點MPP。不但其電路相當(dāng)復(fù)雜，而且掃描步驟會占據(jù)電路的有效工作時間；如在啟始時間之外，因光源劇烈變化造成光能元件脫離原有的電壓-電流曲線，則該案必須重新啟始搜尋模式與掃描步驟，效率并不理想。[0007]簡言之，上述美國專利申請公開案第2006/0164065號必須使用復(fù)雜的電路，先找到MPP點后，才能進(jìn)入擺動模式中進(jìn)行較簡單的模擬電路操作，因此，并不理想。發(fā)明內(nèi)容[0008]有鑒于此，本實用新型即針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種以模擬元件制作的光能電路，以解決前述問題。[0009]為達(dá)上述目的，在本實用新型的其中一個實施例中，提供了一種模擬光能電路，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，并產(chǎn)生一輸出電壓；最佳電流點估算電路，其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算對應(yīng)于最佳功率輸出點的最佳電流點；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電流點估算電路所估算的最佳電流點，與輸入電流進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的操作。[0010]就另一觀點言，本實用新型提供了一種模擬光能電路，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，并產(chǎn)生一輸出電壓；最佳電壓點估算電路，其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算對應(yīng)于最佳功率輸出點的最佳電壓點；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電壓點估算電路所估算的最佳電壓點， 與輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的操作。[0011]就再另一觀點言，本實用新型提供了一種模擬光能電路，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓以供應(yīng)給一個負(fù)載；最佳電流點估算電路， 其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算最佳電流點，其中該功率的變化方向得自一功率變化方向指示電路，該功率變化方向指示電路輸出一訊號，指示該功率的變化方向；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電流點估算電路所估算的最佳電流點，與輸入電流進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的操作。[0012]就又另一觀點言，本實用新型提供了一種模擬光能電路，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓以供應(yīng)給一個負(fù)載；最佳電壓點估算電路， 其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算最佳電壓點，其中該功率的變化方向得自一功率變化方向指示電路，該功率變化方向指示電路輸出一訊號，指示該功率的變化方向；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電壓點估算電路所估算的最佳電壓點，與輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的電壓轉(zhuǎn)換操作。[0013]下面通過對具體實施例詳加說明，當(dāng)更容易了解本新型的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點及其所達(dá)成的功效。


[0014]圖1標(biāo)出光能元件在相同光能下的電壓-電流關(guān)系圖；[0015]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的光能電路的示意電路圖；[0016]圖3為本新型第一實施例的示意電路圖；[0017]圖4為本新型第二實施例的示意電路圖；[0018]圖5為本新型第三實施例的示意電路圖；[0019]圖6為本新型第四實施例的示意電路圖；[0020]圖7為本新型第五實施例的示意電路圖；[0021]圖8為本新型第六實施例的示意電路圖；[0022]圖9為本新型第七實施例的示意電路圖；[0023]圖10為本新型第八實施例的示意電路圖；[0024]圖11舉例說明電流偵測電路的實施例；[0025]圖12為本新型第九實施例的示意電路圖；[0026]圖13為本新型第十實施例的示意電路圖；[0027]圖14為本新型第十一實施例的示意電路圖；[0028]圖15、16說明如何根據(jù)光能元件21的短路電流Isc取得代表電壓V_IinREF。[0029]圖中符號說明[0030]2 光能元件[0031]3 功率輸出級[0032]4 負(fù)載[0033]5 數(shù)字控制器[0034]7 可變電阻控制電路[0035]8 電流偵測電路[0036]21 光能元件[0037]2IA 參考光能元件[0038]31 功率晶體管[0039]40 功率計[0040]41 電流偵測電路[0041]50 比較控制電路[0042]51 數(shù)字計算模塊[0043]52 邏輯電路[0044]60 方向比較電路[0045]61 微分電路[0046]62 微分電路[0047]63 斜率方向比較電路[0048]81電流復(fù)制電路[0049]82電流轉(zhuǎn)電壓電路[0050]83開關(guān)電路[0051]84取樣保持電路[0052]180模擬電路[0053]181第一模擬乘法電路[0054]182第二模擬乘法電路[0055]Cl, C2, C7, C181, C182, CR[0056]CPl, CP2, CMP 比較器[0057]DR二極管[0058]EA誤差放大器[0059]il第一導(dǎo)出訊號[0060]i2第二導(dǎo)出訊號[0061]Ml晶體管元件[0062]0P1, 0P2運算放大器[0063]QBP雙載子晶體管[0064]Rl, R2, R3, R4, R181, R182,[0065]Sff開關(guān)電阻具體實施方式
[0066]本實用新型的重點在于使用較現(xiàn)有技術(shù)精簡的模擬電路元件，來計算光能電路的最佳電流點Impp，因此命名為模擬光能電路。需說明的是，在本實用新型中所稱的“模擬電路”，是指電路的主要功能由模擬電路元件達(dá)成，但并不表示電路中完全不使用數(shù)字電路元件。[0067]請參考圖3，其中以示意電路圖的方式顯示本實用新型的第一個實施例。如圖所示，本實施例中包含有一組光能元件21，用以產(chǎn)生電能。光能元件21所產(chǎn)生的電壓，提供給功率輸出級3作為其輸入電壓Vin ；功率輸出級3例如可以是升壓電路、降壓電路、反壓電路、返馳電路等。功率輸出級3受模擬比較控制電路50 (圖中簡稱比較控制電路以簡化圖面)控制，從輸入端萃取電能，對輸出端供應(yīng)輸出電流Iout，以產(chǎn)生輸出電壓Vo供應(yīng)給負(fù)載 4。其中，模擬比較控制電路50將輸入電流Iin鎖定在最佳功率輸出點MPP所對應(yīng)的最佳電流點Impp(請參閱圖1)，其方式如下。[0068]電流偵測電路8萃取有關(guān)輸入電流I in的信息，以電壓訊號的形式(V (I in))，輸入模擬比較控制電路50。(以上所述僅是舉例，代表輸入電流Iin的訊號亦可為其它類型的訊號，例如電流訊號。)另方面，自光能元件21中，可取得有關(guān)短路電流Isc(請參閱圖1) 的信息，而V_IinREF為對應(yīng)于該短路電流Isc的代表電壓。(如何取得光能元件21短路電流Isc的代表電壓V_IinREF，將于后文中參閱圖15、16說明。)電阻器Rl與R2有適當(dāng)?shù)谋壤沟霉?jié)點VR處的電壓與代表電壓V_IinREF的關(guān)系，大致等于最佳電流點Impp與短路電流Isc的關(guān)系，例如為65% 85%。[0069]節(jié)點電壓VR和代表輸入電流Iin的電壓訊號，可在模擬比較控制電路50中進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來啟動功率輸出級3萃取電能。當(dāng)代表輸入電流Iin的電壓訊號大于節(jié)點電壓VR時，功率輸出級3減少從其輸入端萃取的電流；當(dāng)代表輸入電流Iin的電壓訊號小于節(jié)點電壓VR時，功率輸出級3增加從其輸入端萃取的電流；換言之，根據(jù)比較控制的機(jī)制，最終可將代表輸入電流Iin的電壓訊號鎖定在節(jié)點電壓VR的數(shù)值，亦即使輸入電流Iin等于大致等于最佳電流點Impp，如此即可讓功率輸出級3處于最佳工作點，萃取最大電能。[0070]模擬比較控制電路50的最簡單作法，使用非常簡單的線性穩(wěn)壓電路即可達(dá)成，例如可參考圖4的第二實施例；其中，誤差放大器EA的模擬輸出，可供控制功率輸出級3中的功率晶體管31，使其根據(jù)該模擬輸出值的大小，決定導(dǎo)通的程度，進(jìn)而決定從光能元件21 萃取電流的流量。[0071]線性穩(wěn)壓電路有功率損耗，如欲更有效率的攫取電能，可以使用切換式穩(wěn)壓電路 (Switching Regulator)，例如使用脈寬調(diào)變(PWM)電路來作為模擬比較控制電路50 (有關(guān)脈寬調(diào)變電路的穩(wěn)壓控制原理，因是現(xiàn)有技術(shù)且非本實用新型的重點，在此不予贅述。需強調(diào)的是，脈寬調(diào)變電路不是唯一的方法，其它例如各種變頻調(diào)變電路亦可用來作為模擬比較控制電路)，其作法舉一例如圖5所示，此為本實用新型的第三實施例，本實施例中，在模擬比較控制電路50中設(shè)置誤差放大器EA接受節(jié)點VR處的電壓作為參考電壓，并以代表輸入電流Iin的電壓訊號(V(Iin))為反饋電壓(feedback voltage，稱“前饋” feed-forward voltage或許更恰當(dāng))，兩者進(jìn)行比較。其比較結(jié)果輸入比較器CMP，以與一鋸齒波比較；比較結(jié)果即可提供給邏輯電路53，以產(chǎn)生訊號控制功率輸出級3。當(dāng)然， 除以上作法外，還有其它作法，不予一一枚舉，總之，重點是根據(jù)節(jié)點電壓VR和代表輸入電流Iin的電壓訊號的比較結(jié)果，來控制功率輸出級3萃取電能，而節(jié)點電壓VR(約對應(yīng)于 Impp)僅需通過適當(dāng)?shù)姆謮悍绞郊纯傻玫?，并不需要使用?fù)雜的數(shù)字計算模塊。[0072]本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本案后當(dāng)可立即思及，以上所述電路中，未必限于使用電阻器Rl與R2來進(jìn)行分壓；如使用其它元件來達(dá)成分壓功能，例如使用任何直流阻抗可以相互匹配的二元件，亦屬可行。甚至，模擬比較控制電路50更可直接比較電流訊號，如短路電流Isc或最佳電流Impp和輸入電流Iin。凡此種種，都應(yīng)屬于本實用新型概念的變形，均應(yīng)包含在本實用新型的范圍之內(nèi)。[0073]請參照圖6，此為本新型的第四實施例。本實施例中不再詳示模擬比較控制電路 50的細(xì)節(jié)，僅以方塊圖表示。本實施例中的參考電壓VREF可以是適當(dāng)值的一固定電壓、或如其它實施例取自光能元件21、或取自一組參考光能元件(見后述圖15、16)。固定電阻R3 與可變電阻R4構(gòu)成一個可變分壓電路，此可變分壓電路對參考電壓VREF進(jìn)行分壓，以決定節(jié)點VR處的電壓；換言之，可變電阻R4的阻值，決定了節(jié)點VR處的電壓，使其電壓值對應(yīng)于最佳電流點Impp。在此需說明的是，可變電阻R4僅為本實用新型的其中一個實施方式， 使用其它的可變阻抗元件亦屬可行，甚至該可變阻抗元件不必具有線性變化的特性(例如可使用金氧半場效晶體管M0SFET、接面場效晶體管JFET、夾止式電阻pinch-resistor 等)；重點是通過可變分壓電路，能夠調(diào)整節(jié)點VR處的電壓，即達(dá)成目的。又，由于電阻R3 與R4的阻值都可以經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計，因此參考電壓VREF并不必須相等于短路電流Isc的對應(yīng)代表電壓V_IinREF(但當(dāng)然，相等亦無妨)。[0074]可變電阻R4的阻值受可變電阻控制電路7所控制；其控制方式如下。請對照圖91，當(dāng)V-I曲線位于MPP左方時，電流上升、功率便上升，兩者的斜率同向；當(dāng)曲線位于MPP右方時，電流上升、功率便下降，兩者的斜率反向。換言之，可以根據(jù)光能元件21所輸出的電流(對應(yīng)于輸入電流Iin)的斜率方向和輸出功率的斜率方向，將兩者予以比較，以決定目前位于MPP的左方或右方，并據(jù)此調(diào)整可變電阻R4的阻值，以使節(jié)點VR處的電壓，朝向?qū)?yīng)于最佳電流點Impp的電壓移動。據(jù)此，在圖6所示電路中，設(shè)有一個方向比較電路60，此電路接受輸入電流Iin(以電壓訊號V(Iin)的形式，此即對應(yīng)于光能元件21的輸出電流) 和輸出端的功率(此即對應(yīng)于光能元件21的輸出功率)，對兩者的斜率方向進(jìn)行比較，其比較結(jié)果輸出至可變電阻控制電路7，即可藉以調(diào)整可變電阻R4的阻值。[0075]此實施例中通過可變電阻控制電路7，調(diào)整可變電阻R4的阻值，而調(diào)整VR電壓的具體做法，是為了方便說明與易于了解。其基本精神是提供一產(chǎn)生VR電壓的電路，接受斜率方向比較電路63的輸出信號控制，依一既定法則來調(diào)升或調(diào)降VR電壓，此既定法則是 當(dāng)電流、功率兩者的斜率同向時，調(diào)降VR電壓；而當(dāng)電流、功率兩者的斜率反向時，調(diào)升VR 電壓。凡依此方式控制參考電壓VR，即應(yīng)是本實用新型所涵蓋的范圍。[0076]方向比較電路60可以有各種實施方式，其作法舉一例如圖標(biāo)。詳言之，本實施例以右方的功率計40量測輸出端的功率(此即對應(yīng)于光能元件21的輸出功率)，并將其量測結(jié)果輸入微分電路62;微分電路62的輸出，代表輸出端功率的斜率。同時，微分電路61 接受代表輸入電流的電壓V(Iin)，對其進(jìn)行微分，其輸出代表輸入電流Iin的斜率，亦即光能元件21輸出電流的斜率。斜率方向比較電路63接收兩電路61與62的輸出，根據(jù)之計算兩斜率的方向，并予以比較，其比較結(jié)果可供可變電阻控制電路7使用，從而決定如何調(diào)整可變電阻R4的阻值。[0077]方向比較電路60的更詳細(xì)的電路結(jié)構(gòu)，可參考圖7所示的第五實施例，其中0P1、 0P2為運算放大器，而CPl、CP2為比較器，比較器CPl、CP2將運算放大器OPl、0P2的輸出值與前一時點儲存在電容器Cl、C2上的跨壓相比較，即可決定斜率方向，而異或門XOR的輸出，代表斜率方向為同向或反向。應(yīng)了解的是，本圖所示僅為眾多可能的實施型態(tài)之一， 目的是供舉例說明，而非限制本實用新型的范圍。例如，圖6、7中的微分電路61、62，可以替換為其它高通濾波電路，亦可達(dá)成相似的效果，因為在本實用新型的概念下，并不須要求取絕對精確的斜率值，而僅需要得知光能元件21輸出電流的大略斜率方向和輸出功率的大略斜率方向，將兩者予以比較即可。又例如，比較器CP1、CP2的主要目的是將運算放大器 0P1、0P2的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號，以便供異或門XOR進(jìn)行運算，若適當(dāng)設(shè)計運算放大器0P1、 0P2的增益，使其模擬輸出值可供邏輯電路充分辨識，則斜率方向比較電路63中，亦未必需要包含比較器CP1、CP2，而甚至可能直接將運算放大器0P1、0P2的輸出值進(jìn)行比較。[0078]可變電阻控制電路7的更詳細(xì)的電路結(jié)構(gòu)，可參考圖8、9所示的第六和第七實施例；同樣地，這兩圖所示僅供舉例說明，而非限制本實用新型的范圍。詳言之，在圖8所示實施例中，當(dāng)方向比較電路60的輸出為低位準(zhǔn)時，上橋PMOS開關(guān)導(dǎo)通，電容器C7接受正方向的充電，并朝正方向調(diào)整可變電阻R4;當(dāng)方向比較電路60的輸出為高位準(zhǔn)時，下橋NMOS開關(guān)導(dǎo)通，電容器C7接受負(fù)方向的放電，并朝負(fù)方向調(diào)整可變電阻R4。當(dāng)然，上述的正負(fù)充電方向、圖中的PMOS與NMOS晶體管開關(guān)位置，以及對可變電阻R4的調(diào)整方向，可視方向比較電路60的輸出類型來決定，亦可能為相反的安排方式；例如，若圖7中的異或門XOR改換為同或門XN0R，則上述正負(fù)向便應(yīng)對換。[0079]圖9所示的實施例中包含有一個轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器(TransconductoiOGM，其根據(jù)方向比較電路60的輸出和參考電壓VB的比較結(jié)果，而產(chǎn)生相對應(yīng)的電流，對電容器C7進(jìn)行充電， 以控制可變電阻R4。參考電壓VB的數(shù)值可設(shè)定在方向比較電路60的輸出高低位準(zhǔn)之間， 亦即當(dāng)方向比較電路60的輸出為低位準(zhǔn)時，轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器GM產(chǎn)生正電流，使電容器C7接受正方向的充電，并朝正方向調(diào)整可變電阻R4;而當(dāng)方向比較電路60的輸出為高位準(zhǔn)時，轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器GM產(chǎn)生負(fù)電流，使電容器C7接受負(fù)方向的放電，并朝負(fù)方向調(diào)整可變電阻R4。與前述相似地，此處的正負(fù)方向(亦即轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器GM的正負(fù)輸入端連接位置)，可視方向比較電路60的輸出類型來決定，亦可能為相反的安排方式。[0080]請再回閱圖1，根據(jù)本實用新型利用電流-功率關(guān)系來判斷MPP時，光能元件受控的輸出參數(shù)可以是輸出電流或輸出電壓。如圖10所示，在本實施例中，通過電流偵測電路 8偵測輸入電流Iin (亦即光能元件21的輸出電流)，并與功率計40的輸出(對應(yīng)于光能元件21的輸出功率)，在方向比較電路60中進(jìn)行方向比較；其結(jié)果可據(jù)以調(diào)整可變電阻R4 的阻值，以使對參考電壓VREF’分壓所得節(jié)點VR’處的電壓，朝向?qū)?yīng)于最佳電流點Impp 的電壓移動，而Impp電流值所對應(yīng)的光能元件輸出電壓也必就是最佳電壓點Vmpp。比較控制電路50經(jīng)回授控制機(jī)制把Vin穩(wěn)定在Vmpp點而達(dá)成相同目的。又、顯而易見地，由于電流-功率的斜率方向關(guān)系和電壓-功率的斜率方向關(guān)系相反，因此方向比較電路60或可變電阻控制電路7的詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)，必須將此考慮在內(nèi)，例如，若采用前述圖7-9所示電路結(jié)構(gòu)時，可在其間加入適當(dāng)?shù)姆聪嗥鳎蚴褂猛蜷TXNOR取代異或門M)R，或?qū)Q圖8上下橋 PMOS與NMOS晶體管的位置，或?qū)Q圖9轉(zhuǎn)導(dǎo)放大器GM的正負(fù)輸入端，等等。[0081 ] 同樣，此實施例中通過可變電阻控制電路7，調(diào)整可變電阻R4的阻值，而調(diào)整VR電壓的具體做法，是為了方便說明與易于了解。其基本精神是一產(chǎn)生VR電壓的電路，接受斜率方向比較電路63的輸出信號控制，依一既定法則來調(diào)升或調(diào)降VR電壓，此既定法則是 當(dāng)以光能元件的輸出電壓為控制標(biāo)的時，電流、功率兩者的斜率反向時，調(diào)升VR電壓；而當(dāng)電流、功率兩者的斜率同向時，調(diào)降VR電壓。當(dāng)以光能元件的輸出電流為控制標(biāo)的時，電流、功率兩者的斜率反向時，調(diào)降VR電壓；而當(dāng)電流、功率兩者的斜率同向時，調(diào)升VR電壓。 凡依此方式控制參考電壓VR，即應(yīng)是本實用新型所涵蓋的范圍。[0082]電流偵測電路8有各種作法，亦舉一例如圖11 ；圖中所示電路可偵測輸入電流 Iin，將偵測結(jié)果轉(zhuǎn)換成電壓訊號，傳送給方向比較電路60。同樣地，本圖所示僅為眾多可能的實施型態(tài)之一，目的是供舉例說明，而非限制本實用新型的范圍。[0083]在前述圖6、7、10的實施例中，因使用功率計40，而功率計必須進(jìn)行電流電壓的測量與乘算，故電路似乎顯得復(fù)雜；但事實上，在本實用新型的概念下，并不需要使用非常精密的功率計。如前所述，根據(jù)本實用新型，只需要得知光能元件21輸出功率的大略變化方向即可，并不需要知道精確的功率數(shù)值，因此功率計的電路可以十分精簡(容后于圖13、14 詳述)，甚至可以根本不使用功率計。請參考圖12，此為圖10實施例的衍伸實施例，亦為本實用新型的第九實施例，如圖中右方所示，由于負(fù)載4通常為電池，而電池的電壓變化非常緩慢，故可用電流偵測電路41取代功率計40，僅量測通往負(fù)載4的電流，轉(zhuǎn)換成電壓訊號輸入微分電路62，即可達(dá)成電路目的。電流偵測電路41的具體結(jié)構(gòu)，例如可參考圖11 ；又，圖 6、7電路的右方，亦可做相同的代換，不另贅示。[0084]如欲將負(fù)載4的電壓變化也考慮在內(nèi)，則可使用功率趨勢計來取代功率計；所謂11功率趨勢計，是將目前時點的功率與前一時點的功率相比較，并產(chǎn)生與其差值對應(yīng)的訊號。 需強調(diào)的是，功率趨勢計僅需顯示功率變化的方向即可，甚至并不需要在數(shù)值上成比例地變化。功率趨勢計的實施例，舉一例如圖13所示，此為本實用新型的第十實施例；本實施例利用電阻熱度感應(yīng)來估算功率趨勢。如圖所示，可使用雙載子晶體管Qbp來感測電阻Rs上的熱度變化；大致而言，雙載子晶體管的基極對射極電壓變化(dVBE)與溫度變化(dT)的關(guān)系約為[0085]dVBE/dT ^ -2mV/°C[0086]因此，可使用此溫度計的電壓變化值來代表功率趨勢，不過需注意的是，此為反相的模擬訊號，故后級電路中需對此做相應(yīng)的處理。[0087]如不欲以溫度計來取代功率計，則請參閱圖14，此為本新型的第十一實施例，此電路亦可十分精簡地達(dá)成本新型的目的。請同時對照圖7，本實施例的電路等效包括了圖7中的功率計40、微分電路61、比較器CP2。詳言之，圖14電路中包含第一 RC電路(R181，C181)， 其取得有關(guān)該負(fù)載電流的第一延遲訊號；第二 RC電路(R182，C182)，其取得有關(guān)該負(fù)載電壓的第二延遲訊號；以及一模擬電路180，根據(jù)該第一延遲訊號、第二延遲訊號、有關(guān)該負(fù)載電流的訊號、與有關(guān)該負(fù)載電壓的訊號，而決定該功率變化方向。模擬電路180是用來比較兩個乘積值的相對大小(以下描述都在相對大小的概念中描述，而非描述絕對值)，其中包含一第一模擬乘法電路181，用以產(chǎn)生一與該負(fù)載電壓和負(fù)載電流的乘積成正相關(guān)的第一導(dǎo)出訊號il ；一第二模擬乘法電路182，用以產(chǎn)生一與該第一延遲訊號和該第二延遲訊號的乘積成正相關(guān)的第二導(dǎo)出訊號i2 ；—總和節(jié)點(Summing Node) Σ，用以比較該第一導(dǎo)出訊號il與該第二導(dǎo)出訊號i2，以決定該功率變化方向。總和節(jié)點所輸出的訊號PRFI為數(shù)字訊號，指示d(V*I)/dt的正負(fù)號，其中d(V*I)為功率變化，dt為時間變化，換言之訊號 PRFI指示了功率變化的方向。[0088]請參閱圖15，如何根據(jù)光能元件21的短路電流Isc取得其代表電壓V_IinREF， 有各種方式，舉例而言，可提供一組參考光能元件21A(參考光能元件21A的數(shù)目與光能元件21可以完全相同或為其一個比例值，視代表電壓V_IinREF的設(shè)定而定)，并使此組參考光能元件21A處于短路狀態(tài)，以產(chǎn)生短路電流Isc (或其比例值)。電流復(fù)制電路81將短路電流Isc復(fù)制為電流II，同樣地根據(jù)代表電壓V_IinREF的設(shè)定而定，此電流Il可以相等于短路電流Isc或為其比例值。電流Il經(jīng)過一個電流轉(zhuǎn)電壓電路82，其最簡單的形式例如為電阻，亦可為其它較復(fù)雜的形式，便可將電流Il轉(zhuǎn)換為代表電SV_IinREF，其中代表電壓 V_IinREF與短路電流Isc的關(guān)系，可由參考光能元件21A與光能元件21的關(guān)系、電流復(fù)制電路81的復(fù)制比例、以及電流轉(zhuǎn)電壓電路82的轉(zhuǎn)換比例來設(shè)定。在此實施例中，因電流復(fù)制電路81的輸入端晶體管元件Ml上的跨壓Vgl相對于光能元件串21A的I-V曲線，為一可忽略的小電壓，故此時光能元件串21A所輸出的電流非常接近其短路電流Isc。如果采用電阻取壓再經(jīng)放大器放大的方式，則此跨壓更可大幅縮小。因此為現(xiàn)有電路，在此不加贅述。[0089]圖16顯示另一種實施方式，此實施例中無需另外設(shè)置參考光能元件21A，而是安排成在正常操作下，光能元件21產(chǎn)生輸入電壓Vin提供給光能電路，但開關(guān)電路83間歇地將光能元件21通過電流復(fù)制電路81接地以取得短路電流Isc，并以與圖15實施例相似的方式轉(zhuǎn)換為電壓訊號。此電壓訊號經(jīng)取樣保持電路84予以保存后，輸出作為代表電壓V_IinREF0[0090]除了圖15、16外，另還可有多種其它根據(jù)光能元件21的短路電流Isc來取得代表電壓V_IinREF的方式，或如果在環(huán)境光源穩(wěn)定而短路電流Isc為已知且變化不大的情況下，甚至可在電路設(shè)計時直接將V_I inREF設(shè)定為一或數(shù)個固定值。[0091]綜合上述，現(xiàn)有技術(shù)中，為了計算精確的電流電壓值以求得MPP，必須使用復(fù)雜的數(shù)字計算電路，其所使用的晶體管元件數(shù)量至少在十幾萬個至數(shù)十萬個；如使用本實用新型的模擬電路，則元件數(shù)目可減少至千分之一以下。因此，本實用新型顯較現(xiàn)有技術(shù)更為進(jìn)步，并具有實用性。[0092]以上已針對較佳實施例來說明本實用新型，只是以上所述，僅為使本領(lǐng)域技術(shù)人員易于了解本新型的內(nèi)容，并非用來限定本實用新型的權(quán)利范圍。如前所述，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，當(dāng)可在本實用新型精神內(nèi)，立即思及各種等效變化。例如，所有實施例中所示直接連接的兩元件，可在其間插入不影響主要功能的電路，例如延遲電路、開關(guān)電路、電阻電路等。又例如，所有實施例中的故凡依本實用新型的概念與精神所為之均等變化或修飾，均應(yīng)包括于本實用新型的權(quán)利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種模擬光能電路，其特征在于，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，并產(chǎn)生一輸出電壓；最佳電流點估算電路，其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算對應(yīng)于最佳功率輸出點的最佳電流點；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電流點估算電路所估算的最佳電流點，與輸入電流進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的操作。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬光能電路，其特征在于，該最佳電流點估算電路包括一個可變分壓電路，此可變分壓電路對該預(yù)定電壓進(jìn)行分壓，而產(chǎn)生最佳電流點。
3.如權(quán)利要求1所述的模擬光能電路，其特征在于，該最佳電流點估算電路包括一方向比較電路，此電路比較輸入電壓的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，并根據(jù)比較結(jié)果而控制該可變分壓電路。
4.如權(quán)利要求1所述的模擬光能電路，其特征在于，該方向比較電路包括第一高通濾波器，其接收代表輸入電流的訊號；第二高通濾波器，其接收代表光能元件功率的訊號；以及斜率方向比較電路，接收第一與第二高通濾波器的輸出，并產(chǎn)生比較結(jié)果。
5.如權(quán)利要求4所述的模擬光能電路，其特征在于，該第一與第二高通濾波器為微分ο
6.如權(quán)利要求4所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且該代表光能元件功率的訊號，是根據(jù)傳送給該負(fù)載的功率而得。
7.如權(quán)利要求4所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且該代表光能元件功率的訊號，是根據(jù)流過該負(fù)載的電流而得。
8.如權(quán)利要求3所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且所述模擬光能電路更包括一個功率計，其量測傳送給該負(fù)載的功率，并將結(jié)果輸入該方向比較電路。
9.如權(quán)利要求3所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且所述模擬光能電路更包括一個功率趨勢計，其量測傳送給該負(fù)載的功率趨勢，并將結(jié)果輸入該方向比較電路。
10.如權(quán)利要求9所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率趨勢計利用電阻熱度感應(yīng)來估算功率趨勢。
11.如權(quán)利要求3所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且所述模擬光能電路更包括一個電流偵測電路，其偵測流過該負(fù)載的電流，并將結(jié)果輸入該方向比較電路。
12.如權(quán)利要求1所述的模擬光能電路，其特征在于，該預(yù)定電壓為固定電壓、或取自該組光能元件、或取自一組參考用的光能元件，該預(yù)定電壓對應(yīng)于該組光能元件的短路電流。
13.一種模擬光能電路，其特征在于，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，并產(chǎn)生一輸出電壓；最佳電壓點估算電路，其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算對應(yīng)于最佳功率輸出點的最佳電壓點；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電壓點估算電路所估算的最佳電壓點，與輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的操作。
14.如權(quán)利要求13所述的模擬光能電路，其特征在于，該最佳電流點估算電路包括一個可變分壓電路，此可變分壓電路對該預(yù)定電壓進(jìn)行分壓，而產(chǎn)生最佳電流點。
15.如權(quán)利要求14所述的模擬光能電路，其特征在于，該最佳電流點估算電路包括一方向比較電路，此電路比較輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，并根據(jù)比較結(jié)果而控制該可變分壓電路。
16.如權(quán)利要求15所述的模擬光能電路，其特征在于，該方向比較電路包括第一高通濾波器，其接收代表輸入電流的訊號；第二高通濾波器，其接收代表光能元件功率的訊號；以及斜率方向比較電路，接收第一與第二高通濾波器的輸出，并產(chǎn)生比較結(jié)果。
17.如權(quán)利要求16所述的模擬光能電路，其特征在于，該第一與第二高通濾波器為微分器。
18.如權(quán)利要求16所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且該代表光能元件功率的訊號，是根據(jù)傳送給該負(fù)載的功率而得。
19.如權(quán)利要求16所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且該代表光能元件功率的訊號，是根據(jù)流過該負(fù)載的電流而得。
20.如權(quán)利要求15所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且所述模擬光能電路更包括一個功率計，其量測傳送給該負(fù)載的功率，并將結(jié)果輸入該方向比較電路。
21.如權(quán)利要求15所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且所述模擬光能電路更包括一個功率趨勢計，其量測傳送給該負(fù)載的功率趨勢，并將結(jié)果輸入該方向比較電路。
22.如權(quán)利要求21所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率趨勢計利用電阻熱度感應(yīng)來估算功率趨勢。
23.如權(quán)利要求15所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率輸出級電路供應(yīng)電壓給一負(fù)載，且所述模擬光能電路更包括一個電流偵測電路，其偵測流過該負(fù)載的電流，并將結(jié)果輸入該方向比較電路。
24.如權(quán)利要求13所述的模擬光能電路，其特征在于，該預(yù)定電壓為固定電壓、或取自該組光能元件、或取自一組參考用的光能元件，該預(yù)定電壓對應(yīng)于該組光能元件的短路電流。
25.一種模擬光能電路，其特征在于，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓以供應(yīng)給一個負(fù)載；最佳電流點估算電路，其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算最佳電流點，其中該功率的變化方向是得自一功率變化方向指示電路，該功率變化方向指示電路輸出一訊號，指示該功率的變化方向；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電流點估算電路所估算的最佳電流點，與輸入電流進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的操作。
26.如權(quán)利要求25所述的模擬光能電路，其特征在于，該指示功率變化方向的訊號為數(shù)字訊號，指示d(V*I)/dt的正負(fù)號，其中d(V*I)為功率變化，dt為時間變化。
27.如權(quán)利要求25所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率變化方向指示電路包括第一 RC電路，其取得有關(guān)該負(fù)載電流的第一延遲訊號；第二 RC電路，其取得有關(guān)該負(fù)載電壓的第二延遲訊號；以及一模擬電路，根據(jù)該第一延遲訊號、第二延遲訊號、有關(guān)該負(fù)載電流的訊號、與有關(guān)該負(fù)載電壓的訊號，而決定該功率變化方向。
28.如權(quán)利要求27所述的模擬光能電路，其特征在于，該模擬電路包括一第一模擬乘法電路，用以產(chǎn)生一與該負(fù)載電壓和負(fù)載電流的乘積成正相關(guān)的第一導(dǎo)出訊號；一第二模擬乘法電路，用以產(chǎn)生一與該第一延遲訊號和該第二延遲訊號的乘積成正相關(guān)的第二導(dǎo)出訊號；一總和節(jié)點，用以比較該第一導(dǎo)出訊號與該第二導(dǎo)出訊號，以決定該功率變化方向。
29.一種模擬光能電路，其特征在于，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，將其轉(zhuǎn)換為輸出電壓以供應(yīng)給一個負(fù)載；最佳電壓點估算電路，其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電流的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算最佳電壓點，其中該功率的變化方向是得自一功率變化方向指示電路，該功率變化方向指示電路輸出一訊號，指示該功率的變化方向；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電壓點估算電路所估算的最佳電壓點，與輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的電壓轉(zhuǎn)換操作。
30.如權(quán)利要求四所述的模擬光能電路，其特征在于，該指示功率變化方向的訊號為數(shù)字訊號，指示d(V*I)/dt的正負(fù)號，d(V*I)/dt，其中d(V*I)為功率變化，dt為時間變化。
31.如權(quán)利要求四所述的模擬光能電路，其特征在于，該功率變化方向指示電路包括第一 RC電路，其取得有關(guān)該負(fù)載電流的第一延遲訊號；第二 RC電路，其取得有關(guān)該負(fù)載電壓的第二延遲訊號；以及一模擬電路，根據(jù)該第一延遲訊號、第二延遲訊號、有關(guān)該負(fù)載電流的訊號、與有關(guān)該負(fù)載電壓的訊號，而決定該功率變化方向。
32.如權(quán)利要求31所述的模擬光能電路，其特征在于，該模擬電路包括一第一模擬乘法電路，用以產(chǎn)生一與該負(fù)載電壓和負(fù)載電流的乘積成正相關(guān)的第一導(dǎo)出訊號；一第二模擬乘法電路，用以產(chǎn)生一與該第一延遲訊號和該第二延遲訊號的乘積成正相關(guān)的第二導(dǎo)出訊號；一總和節(jié)點，用以比較該第一導(dǎo)出訊號與該第二導(dǎo)出訊號，以決定該功率變化方向。
專利摘要本實用新型提出一種模擬光能電路，包含一組光能元件，其吸收光能而產(chǎn)生輸入電壓，該輸入電壓與輸入電流具有對應(yīng)關(guān)系；功率輸出級電路，接收該光能元件產(chǎn)生的輸入電壓，并產(chǎn)生一輸出電壓；最佳電流點估算電路，其接受一預(yù)定電壓，并根據(jù)輸入電壓(或輸入電流)的變化方向與光能元件所產(chǎn)生功率的變化方向，估算對應(yīng)于最佳功率輸出點的最佳電流點；以及模擬比較控制電路，其將該最佳電流點估算電路所估算的最佳電流點，與輸入電流進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，控制該功率輸出級的操作。
文檔編號G05F1/67GK202257352SQ20112023558
公開日2012年5月30日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者劉景萌 申請人:立锜科技股份有限公司