如何用太陽能電池為 Raspberry Pi 3 單板電腦供電
資料提供者：Digi-Key 歐洲編輯群
2016-07-05
監測與控制應用的無頭端裝置嵌入式設計中，越來越常使用低成本單板電腦，如最新的 Raspberry Pi 3。 使用高階語言開發在 Linux 版本上運作的應用程式，並於板件整合無線網路連線能力，可為創新應用帶來新的開發及推行契機。
為這些板件供電已非難事，主流的 5 V 手機充電器即可滿足此需求。不過，現在有越來越多人關注如何使用從環境中採集到的電力供電。 如此一來，系統設計人員能更靈活地將板件放在無法輕易連接電力線的地方。 這些板件的電源需求在於，充電電池必須由外部電源供電，而太陽能電池則可充當此電源。
使用太陽能電池為嵌入式單板電腦供電，對不需要螢幕的系統來說可行性越來越高。 由於板件上元件需要的耗電量逐漸降低，且太陽能電池與電源管理晶片的效率皆已提升，因此現在已可使用太陽能電池直接供電給板件，並對電池子系統進行涓流充電。 這能讓電池為單板電腦和通訊鏈路供電達數個月甚至數年之久。
Raspberry Pi 推出的 Raspberry Pi 3 是造成此趨勢的關鍵要素。此裝置除了 1.2 GHz 四核心 ARM® Cortex®-A53 處理器以外，還整合了 Wi-Fi 和藍牙連線能力。 如此就無需使用 USB 埠連接無線配接器，進而避免高耗電量。 此板件指定的最大運作電流為 2.4 A，以支援 USB 埠連接的週邊裝置。
板件閒置時的耗電量為 31 mA，在處理器與記憶體負載下則會提高至 580 mA。 另一個電流負載為 SMSCLAN9514 USB 控制器，在暫停模式下會耗用 74 mA。 乙太網路連線所需的 594 mA 耗電量無需考量，因為電力可由乙太網路線提供。
因此能源採集電源必須可支援約 700 mA 至 900 mA 的啟動電力需求，以及約 150 mA 的閒置電力需求。
此電力可由多種太陽能板提供，例如 MikroElektronika 的 MIKROE-651。 這些面板提供 4 V、100 mA 的輸出，每片尺寸為 70 x 65 mm，可並聯最多 9 片來供應啟動電流。 或者可使用 Panasonic 的 AM-5902 (150 x 37 mm) 提供最高 60 mA 的電流；如此便需要三片面板來維持閒置電力需求。
充電電池子系統能透過Texas Instruments 的 bq25504 等元件進行管理。 此元件可用來對電池充電，並且在太陽能電池的供電電流下降時，保護電池以免放電；此外還能管理能源採集裝置等波動電源。
為了供應單板電腦所需的 5 V 電源，兩片太陽能板會並聯並且連接至充電電池，以供應所需的電流。
除了電池之外，還需要切換式的升壓或降壓轉換器及電池充電器。 使用轉換器可確保來自太陽能板的全部電力皆存入電池，再將電感連接到電源，就可讓電感累積電流，將電力儲存在電感中。 在第二個循環中，電流路徑的改變能讓電感將其累積的電力傳送至負載。 負載電壓可能會高於或低於電感電源的電壓。
也就是說，當電容的電量足夠時，轉換器便會以突衝模式運作，讓電池快速充電。 但是要結束快速充電較為棘手，因為無法得知下一次電力突衝的時機。
有個方法是利用另一個比較器監測輸出電壓，在電壓達到上限時停用切換，然後在電壓降到預定位準之下時啟用。
bq25504 的設計採用高效率升壓轉換器與充電器，能有效擷取並管理太陽能電池的輸出電力。 此元件使用 DC-DC 升壓轉換器／充電器啟動，只需要從太陽能電池取得幾微瓦的電力就能開始運作，接著便可開始有效率地擷取電力。
典型的電路如圖 3 所示，將太陽能板連接到 bq25504 與電池子系統，即可收集電流供電給板件。 bq25504 使用電池監測輸出，而輸出則連接到 Raspberry Pi 3 板的一般用途 IO 針腳。 如圖 4 所示，bq25504 裝在評估板上，能為太陽能電池與電池之間提供鏈路。
當升壓轉換器的輸出 (VSTOP) 達到 1.8 V 可驅動轉換器時，主升壓轉換器即可以更高效率從太陽能電池取得電力。 啟動時的 VIN_DC 典型值最低需達 330 mV，當 VSTOR 達到 1.8 V 之後，在 VIN_DC 低至 120 mV 前都可繼續採集電力。 整合的 PFM 降壓轉換器亦由 VSTOR 供電，若具備足夠的輸入電力，亦可從 VOUT 引腳提供最高 100 mA。
結論
將內建無線網路連線能力的 5 V 單板電腦（如 Raspberry Pi 3）連接到太陽能電池，需要使用中間電池與電源管理子系統，以提供必要的穩定電流。 使用 bq25504 等元件的最大功率點追蹤功能可確保達到最佳的電池充電效果，並且提供連接回板件的控制線路。 如此一來，就可在無電線的區域使用板件，將資料傳回網路。
為這些板件供電已非難事，主流的 5 V 手機充電器即可滿足此需求。不過，現在有越來越多人關注如何使用從環境中採集到的電力供電。 如此一來，系統設計人員能更靈活地將板件放在無法輕易連接電力線的地方。 這些板件的電源需求在於，充電電池必須由外部電源供電，而太陽能電池則可充當此電源。
使用太陽能電池為嵌入式單板電腦供電，對不需要螢幕的系統來說可行性越來越高。 由於板件上元件需要的耗電量逐漸降低，且太陽能電池與電源管理晶片的效率皆已提升，因此現在已可使用太陽能電池直接供電給板件，並對電池子系統進行涓流充電。 這能讓電池為單板電腦和通訊鏈路供電達數個月甚至數年之久。
Raspberry Pi 推出的 Raspberry Pi 3 是造成此趨勢的關鍵要素。此裝置除了 1.2 GHz 四核心 ARM® Cortex®-A53 處理器以外，還整合了 Wi-Fi 和藍牙連線能力。 如此就無需使用 USB 埠連接無線配接器，進而避免高耗電量。 此板件指定的最大運作電流為 2.4 A，以支援 USB 埠連接的週邊裝置。
板件閒置時的耗電量為 31 mA，在處理器與記憶體負載下則會提高至 580 mA。 另一個電流負載為 SMSCLAN9514 USB 控制器，在暫停模式下會耗用 74 mA。 乙太網路連線所需的 594 mA 耗電量無需考量，因為電力可由乙太網路線提供。
圖 1：Raspberry Pi 推出的 Raspberry Pi 3 板件整合了無線連線能力。
無線連線的耗電量取決於設定的工作週期，應安排在主機板之後才啟動無線連線，以免峰值電流需求過高。因此能源採集電源必須可支援約 700 mA 至 900 mA 的啟動電力需求，以及約 150 mA 的閒置電力需求。
此電力可由多種太陽能板提供，例如 MikroElektronika 的 MIKROE-651。 這些面板提供 4 V、100 mA 的輸出，每片尺寸為 70 x 65 mm，可並聯最多 9 片來供應啟動電流。 或者可使用 Panasonic 的 AM-5902 (150 x 37 mm) 提供最高 60 mA 的電流；如此便需要三片面板來維持閒置電力需求。
圖 2：Panasonic 的 AM-5902 太陽能板。
透過這兩款面板供應閒置電力之外，還需要備援充電電池以及電源管理子系統。 面板可以用來對電池進行涓流充電，以便在收集資料或者將資料送至閘道器時，支援板件的峰值用電需求。充電電池子系統能透過Texas Instruments 的 bq25504 等元件進行管理。 此元件可用來對電池充電，並且在太陽能電池的供電電流下降時，保護電池以免放電；此外還能管理能源採集裝置等波動電源。
為了供應單板電腦所需的 5 V 電源，兩片太陽能板會並聯並且連接至充電電池，以供應所需的電流。
除了電池之外，還需要切換式的升壓或降壓轉換器及電池充電器。 使用轉換器可確保來自太陽能板的全部電力皆存入電池，再將電感連接到電源，就可讓電感累積電流，將電力儲存在電感中。 在第二個循環中，電流路徑的改變能讓電感將其累積的電力傳送至負載。 負載電壓可能會高於或低於電感電源的電壓。
圖 3：將 bq25504 電源管理晶片接至電池與太陽能板。
但是，直接將電感連接到太陽能板效率不高，因此會用到電容。 藉由監控電容兩端的電壓，便能在面板輸出達到峰值時，啟動切換式轉換器。 電容也會在輸出電壓不夠高而無法啟動轉換器時，擷取來自太陽能電池的電力，以便採集並儲存所有的電力。也就是說，當電容的電量足夠時，轉換器便會以突衝模式運作，讓電池快速充電。 但是要結束快速充電較為棘手，因為無法得知下一次電力突衝的時機。
有個方法是利用另一個比較器監測輸出電壓，在電壓達到上限時停用切換，然後在電壓降到預定位準之下時啟用。
bq25504 的設計採用高效率升壓轉換器與充電器，能有效擷取並管理太陽能電池的輸出電力。 此元件使用 DC-DC 升壓轉換器／充電器啟動，只需要從太陽能電池取得幾微瓦的電力就能開始運作，接著便可開始有效率地擷取電力。
典型的電路如圖 3 所示，將太陽能板連接到 bq25504 與電池子系統，即可收集電流供電給板件。 bq25504 使用電池監測輸出，而輸出則連接到 Raspberry Pi 3 板的一般用途 IO 針腳。 如圖 4 所示，bq25504 裝在評估板上，能為太陽能電池與電池之間提供鏈路。
當升壓轉換器的輸出 (VSTOP) 達到 1.8 V 可驅動轉換器時，主升壓轉換器即可以更高效率從太陽能電池取得電力。 啟動時的 VIN_DC 典型值最低需達 330 mV，當 VSTOR 達到 1.8 V 之後，在 VIN_DC 低至 120 mV 前都可繼續採集電力。 整合的 PFM 降壓轉換器亦由 VSTOR 供電，若具備足夠的輸入電力，亦可從 VOUT 引腳提供最高 100 mA。
圖 4：bq25504 評估板可利用太陽能電池為 Raspberry Pi 3 板供電。
轉換器的關鍵要素之一，在於追蹤太陽能電池的最大功率點 (MPP)。 MPP 會隨著面板上的光量和溫度而有所改變，並且會實施可編程最大功率點追蹤 (MPPT) 取樣網路，讓裝置的電力傳輸達到最佳化。 bq25504 會停用升壓轉換器達 256 毫秒，每 16 秒定期對開放電路輸入電壓進行取樣，並將已編程的 OC 電壓 MPP 比例儲存到 VREF_SAMP 的外部參考電容 (C2)。 太陽能電池通常在負載達其輸出電壓大約 80% 時會達到最大功率點，而在電池低於使用者編程的最大電壓 (VBAT_OV) 時，升壓充電器會對太陽能電池施加負載，直到 VIN_DC 達到 MPP 電壓為止。 升壓充電器接著會調節轉換器的輸入電壓，直到輸出達到 VBAT_OV 為止，將最大電量傳輸給電池。 這些電力將用來供應板件所需的電量。結論
將內建無線網路連線能力的 5 V 單板電腦（如 Raspberry Pi 3）連接到太陽能電池，需要使用中間電池與電源管理子系統，以提供必要的穩定電流。 使用 bq25504 等元件的最大功率點追蹤功能可確保達到最佳的電池充電效果，並且提供連接回板件的控制線路。 如此一來，就可在無電線的區域使用板件，將資料傳回網路。
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