在極端環境中對原型系統進行現場測試

   　 在現場測試設備或產品時，資源、材料限制、調試和時間壓力都具有挑戰性。不過，正是失敗才是現場測試工作的成功之母，而且在現場測試中積累的經驗也有助于設計師對系統的全面了解。我們要測試的是，由太陽能供電的 12V 鉛酸汽車電池充電電路原型系統，我們要用這個汽車電池給 LED 燈、音頻系統、用于露營淋浴器和噴霧系統的水泵等供電，要證明該充電電路不會損壞并能正常工作。我們的測試環境是美國炎熱的內華達州沙漠，那里沒有水、沒有陰涼處、沒有電，什么都沒有。在這樣的條件下，活著的惟一指望是，用貨運汽車裝運幾天中所需的一切，然后再一樣不少地全都運回來。從每個方面來說，這都是一個完美的測試環境，可確定系統是否足以提供舒適的生活條件。
　
　　“真刀真槍”地驗證自己的設計

 　   對于諸如此類的現場測試，失敗的后果是，會產生一種非常糟糕的感受。人們普遍認為，必須監視充電系統，以防止電池電量完全耗盡。因此，必須進行適當的測量，并實時收集測量數據，以保持并恢復電池壽命。我們所采用的器具包括一個 DC1688 演示電路板，該演示電路板采用凌力爾特的 LT3652 太陽能電池充電控制器，該控制器連接到Solec公司的 70W (Solec SQ-70) 太陽能電池板，這個太陽能電池板的最高電壓為 17V，電流為 4.45A 1

　　1 Solec SQ-70 太陽能電池板特征參數：

  　  額定功率：在 25oC 時為 75W

   　 最高電壓：17.00V

   　 最大電流：4.45A

   　 短路電流：4.75A
 
　　開路電壓：21.40V

  　  尺寸：46.8 英寸 x 20.9 英寸 x 1.5 英寸

   　 重量：16.5 磅/7.5 千克

　　問題是，如果我們開始時電池是充滿電的，并在白天始終保持充電，那么要想整夜使用 LED 燈、支持用于淋浴器的 12V 水泵的運轉、用 12V 汽車音頻放大器播放幾個小時的 iPod 音樂以及給其他外部設備再充電，Solec 70W 太陽能電池板能提供足夠的電力、給電池充上所需的電量嗎?

　　這類測試的關鍵部分是測試充電電路的效率。充電電路最大限度地給電池充電了嗎？充電電路最大限度地利用太陽光照和太陽能電池板了嗎？盡管用輸出功率/輸入功率 x 100 來測量效率并不難，但是攜帶 4 個萬用表和一個計算器去沙漠，不斷讀取讀數和測量值，是不現實的。不過，我們可以使用內部開發的“效率計”。采用兩塊凌力爾特的演示電路板、一個微控制器和一個 ADC，就可以構成一個效率計，并用該效率計實時測量和計算效率，最后在 LCD 顯示屏上顯示結果。無需萬用表、無需計算器，最重要的是，無需電腦。該系統用一個僅為 9V 的電池和內部嵌入式編程，就可以獨立工作了，這使得該系統非常便于攜帶。就優化太陽能電池板充電系統而言，實時效率數據極為有用，例如，在給太陽能電池板定位時，有了實時效率數據，就不用靠猜測行事了，另外利用實時效率數據還可以確定白天什么時間充電效率最高、恰當地預算電池電量的使用等。

　　凌力爾特的演示電路板 DC590B 包括一個 PIC 微控制器，該微控制器與 DC571A 演示電路板連接。DC571A 演示板由一個 8 通道 24 位差分 ADC LTC2418 組成。僅使用該 ADC 的 4 個通道，其中兩個通道測量 VIN 和 VOUT，另外兩個通道利用 DC1116A 演示電路板上的 LTC6103 電流檢測放大器，以電壓形式測量 IIN 和 IOUT，因為電壓與電流成正比。DC1116A 演示電路板略有修改，電阻器更換為實現 0.1V/1A 的比率。

　　將 LTC2418 (ADC DC571A) 演示電路板連接到 DC590B 的微控制器接口，這很容易，然后記錄 ADC 4 個差分通道上的代碼、獲取所測電壓的瞬時值、轉換、計算效率并將結果顯示在 LCD 上。 最終結果是，我們得到了一個簡單明了的系統，可顯示Vs  (太陽能電池板電壓)、IIN (電池充電器的輸入電流)、Vb (電池電壓)、IOUT (從電池充電器到 12V 鉛酸電池的輸出電流) 和計算所得的效率 (Vb x IOUT) / (Vs x IIN) x 100。

　　讓每個通道都作為差分電壓測量通道工作意味著，VIN 和 VOUT 的接地通道需要連在一起。在我的設計中，通道 3、5、7 和 9 連接至地。通道 2 和 6 是 Vs 和 Vb。通道 4 和 8 是 IIN 和 IOUT。該 ADC 具 2.5V 的內部基準電壓限制，因此我必須在 Vs 和 Vb 通道使用一個分壓器，以保持處于 20V 的最大輸入范圍內。通道上的電阻器分壓器最大限度地提高了分辨率，而內部代碼用來重新計算真正的電壓值，所使用的少量糾錯可以忽略不計。

　　最后一步是讓該系統具有足夠的便攜性，以靠一個 9V 堿性電池工作，方便隨身攜帶，但又要使該系統足夠靈活，以使用 12V 鉛酸電池。DC823B 演示電路板采用 LTM4600 降壓型微型模塊 (µModule®) 穩壓器，該穩壓器的最大輸入電壓范圍為 20V，可調節提供給整個太陽能電池板電池充電器系統的 5V 電壓 (圖 1) 。用 5V 輸出選擇跨接線將 9V 堿性電池連接到該演示電路板的VIN 端。LTM4600 的 BURST 模式在輕負載時效率較高，有助于延長電池壽命。通過在現場依靠最終產品工作，我們對最終產品進行了從設計到原型系統的 β 測試。

　　圖 1：可在 LCD 顯示屏上實時顯示結果的太陽能電池板效率計；從左至右依次是：

　　DC823B 演示電路板 (LTM4600  -  降壓型微型模塊穩壓器)

　　DC590B 演示電路板 PIC 微控制器

　　DC571A 演示電路板 (LTC2418  -  24 位、8 通道 ADC LTC2418)

　　DC1116A 演示電路板 (LTC6103  -  電流檢測放大器)

　　實時效率

   　 在沙漠中生活幾天不是一件容易的事，除非有電池電源提供一些令人舒適的條件。我們使用了一個 12V 水泵，能用淋浴器和噴霧系統同炎熱的天氣做斗爭 (圖 2)。晚上也令人愉快，有一串 LED 燈給營地照明。我們搭建遮蔭棚以遮蔽太陽時，使用了無繩電鉆，該無繩電鉆可再充電以連續使用 (參見圖 3)。我們甚至通過一個放大器和幾個揚聲器播放了 iPod 音樂，度過了幾個節日般的夜晚。實時效率計幫助我們預算整個白天的功耗，不僅幫助我們定位了太陽能電池板的朝向，還幫助我們確定了設備使用多長時間后，電池電量才會耗盡。宿營仍然具有挑戰性，因為我們必須應對隔斷太陽光照的沙塵暴，沙塵暴妨礙太陽能電池板給電池充電，使我們不得不限制電源的使用。不過最后，該系統的工作表現與設計初衷相吻合，電池電量從未耗盡，設計師經受住了現場測試的考驗而沒有任何損失。

　　圖 2：搭建遮蔭棚和使用 12V 水泵的淋浴房時使用了可再充電的工具

　　圖 3：在沙漠中實現最高效率的系統配置：

　　A. Solec SQ-70 75W 太陽能電池板

　　B. 12V 鉛酸汽車電池 (兩個電池裝在綠色箱子中；一個用于充電，另一個用于工作)

　　C. Ryobi 無繩電鉆的充電器和電池

　　D. 用于淋浴器和冷卻噴霧系統的水泵

　　E. 法式咖啡壺，早上提神用

　　F. 揚聲器用作桌子的腿，配合廢棄木板搭成桌子