【有奖问答】ADI太阳能模拟器方案 24小时高精度拟合太阳光谱

 

 

近年来随着太阳能应用的不断发展，关于太阳能利用、转换的相关产品，尤其是太阳能电池板的使用量也逐渐增加。过去，这些产品都是在自然环境下进行测试，受制于气候条件，因此存在测试周期长、数据的可重现性差等不足。太阳能模拟器是模拟太阳光谱和光强的一种光源设备，可以在高精度拟合太阳光谱分布的前提下，实现不同的太阳辐照度等条件，满足测试研究对太阳辐照的特殊需求。使用太阳能模拟器能够克服气候多变性所造成的不便，全年24小时在室内对太阳能产品进行测试。

 

 

太阳能模拟器概述

太阳能模拟器简介

太阳能模拟器是在室内环境中，模拟不同大气质量条件下、太阳光辐照特性的试验平台或定标设备。一般来讲，太阳能模拟器可分为两类：一类是稳态模拟器，主要由光源、冷却系统、数据采集与控制系统、滤光器等组成，多用于单体太阳能电池板与小型设备的测试。另一类是脉冲模拟器，由一个或多个长弧脉冲氙气灯组成。该种模拟器的辐照度在一定范围内的均匀性非常好，经常用于大尺寸设备的测试。在太阳能技术的不断推进下，近几年各种大面积太阳能模拟器被陆续开发出来，其辐照面积可达2-5平方米，辐照度均匀性与辐照度稳定性等指标也控制得很好，主要应用于各种太阳能技术的测试方面。如下图1所示。

图1 太阳能模拟器

 

太阳能模拟器性能指标

太阳能模拟器的性能指标一般包括：一定范围内的总辐照度、辐照光谱匹配度、辐照均匀度与辐照稳定度。

 

总辐照度

太阳能模拟器的总辐照度是指太阳能模拟器能够在测试平面上提供的最大辐照度值，一般来说根据应用场合的不同，对总辐照度的要求也不同。

 

光谱匹配度

太阳能模拟器的光谱匹配度是指太阳能模拟器的光谱辐照度分布与太阳光的标准光谱分布的匹配程度，一般用太阳能模拟器在每个波长范围内辐射的能量百分比与标准太阳光在同样波长范围内辐射的能量的百分比的比率表示。太阳光标准光谱辐照度分布情况见图2。

图2 标准光谱辐照度分布

 

辐照均匀度

太阳能模拟器在照射光伏板时，如果辐照不均匀会使得被照射的光伏板面上各区域接收的辐照不相同，而我们通常假定自然光是平行光，当不均匀度超过一定的限制，电池组件的伏安曲线就与它在接收自然光照时的曲线，即实际工作曲线产生了差异。每一个串联电路输出的电流取决于光照最弱的那一块电池，这样，一个弱斑将影响一整串电路的输出特性，可能会导致光伏板测量效率或分级的错误。因此，辐照均匀性是太阳能模拟器的主要技术指标之一，其计算公式为：

式中：Nu表示太阳能模拟器辐照度不均匀度；Emax表示测试平面有效测量范围内测得的最大辐照度，单位为W/m2；Emin表示测试平面有效测量范围内测得的最小辐照度，单位为W/m2。

 

辐照稳定度

太阳能模拟器辐照度稳定度是指在测试平面上的指定区域内的辐照度值的稳定程度，一般用辐照度不稳定度来评价。在测试平面上的指定区域内任取一坐标，记录该点的辐照度值在一定时间内的变化情况，在测试时间内测取的辐照度最大值记作E'max，辐照度最小值记作E'min，太阳能模拟器辐照度不稳度的计算公式如下：

式中：Ns表示太阳能模拟器辐照度不稳定度；E'max表示数据采集期间任意测量点在测试平面内的最大辐照度，单位为W/m2；E'min表示数据采集期间任意测量点在测试平面内的最小辐照度，单位为W/m2。

 

太阳能模拟器光源

太阳能模拟器最重要的组成部分是模拟器光源，作为一种人造光源器件，太阳能模拟器的各项性能与所选光源紧密相关。所选光源的能量分布需要尽可能与太阳辐射的能量分布接近，太阳能模拟器常用光源一般是稀有气体灯（如固体灯、LED 灯、氙气灯等）、高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯等。

碳弧灯是早期太阳能模拟器常用的光源。其光谱由炙热电极的连续辐射和金属蒸汽特征谱线组成，分布形式接近太阳光谱。碳弧灯有封闭式碳弧灯和日光碳弧灯两种。碳棒是封闭式碳弧灯内的发光体，电流通过碳棒发出弧光。但弧光的光谱能量分布(SPD)与自然日光的SPD相差较大，不仅不包含短波紫外辐射，而且在400－800nm 波段光谱能量强度也无法与同波段的日光相匹配。日光型碳弧灯的 SPD在匹配度上有了一定提高，但目前在我国应用得较少。

氙灯光源的原理是氙气放电发光。用耐高温、热膨胀系数小的全透明石英制作灯管，在管内充有高纯度的氙气。氙灯的电光转化效率很高，色温在6000K左右，与太阳的色温相当。氙灯的辐射光谱分布范围很宽，自然光的紫外波段、可见光波段和近红外波段均能覆盖，另外在近红外有些分立的谱线。连续光谱部分的分布比较稳定，输入功率的变化几乎不会改变光谱特性；在寿命期内光谱能量分布也几乎不变。氙灯是现今最新、最常用的光源，通过增加滤光片或更换滤光罩，可以较好模拟户外自然太阳光和透过窗玻璃的太阳光，并且发光效率高，寿命长。

卤钨灯是被简易型太阳能模拟器最多使用的光源。卤钨白炽灯是一种热辐射光源，发光原理是灯泡通过加热钨丝到高温来发光。温度越高，光线就越亮。卤钨灯灯泡内的气体为惰性气体（氙气或氪气）和卤素气体（溴气或碘蒸汽）；在高温下，灯泡壁上的钨丝与卤素作用，蒸发的钨会重新凝固在钨丝上，形成一个平衡的循环，这种热化学过程被称为“卤素循环”。这个过程延长了灯丝的寿命，使电能到光能的转换效率也较高。

卤钨灯光源有以下四个特点：（1）卤钨灯的光谱集中在可见光和近红外光部分，即 300-2500nm 波段；（2）能产生平滑的光谱曲线；（3）输出稳定；（4）色温在 3000K 以上。

 

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太阳能模拟器数据采集与控制系统

太阳能模拟器主要由光源、冷却系统、数据采集与控制系统、滤光器等组成。一套精密的数据采集与控制系统是太阳能模拟器实现高效运转的保障，也是稳定均匀的光照输出环境的保障。目前市面上大部分太阳能模拟器的数据采集与控制系统精度不高，光照度不均匀。严重影响测试效率。许多企业在提高数据采集的精度和控制光源电流的精度上投入了高额成本和巨大的精力。技术型授权代理商Excelpoint世健的工程师Galen Zhang介绍了ADI太阳能数据采集与控制系统相关方案。

 

系统框图

图3为ADI的太阳能模拟器数据采集与控制系统框图。主控部分为Maxim低功耗MCU MAX32660。选用精密DAC和精密功率运算放大器来控制MOS管为光源提供可调节的电流。光源在照射太阳能电池板后，太阳能电池板进行光电转换产生电流和电压。使用ADI精密仪表放大器，运算放大器和精密ADC采集该电流电压。根据电流电压的大小再调节光源电流控制光强，以此形成一个闭环。

图3 系统框图

 

重点型号介绍

图4所示为ADI太阳能模拟器信号链中型号特性描述。

图4 型号参数

AD/DA介绍

ADC AD7606系列产品包含AD7606、AD7606B、AD7606C-16、AD7606C-18，可提供八个同时采样通道。AD7606x产品包含多个信号链模块：可编程增益放大器（PGA）、抗混叠滤波器、ADC、基准电压源、LDO、数字滤波器和数据通信接口。AD7606x只需要一个电源轨（5V），即可处理双极性输入信号，从而大大减少了支持电路，并提高了 PCB 密度。AD7606产品允许直接连接低阻抗和中阻抗传感器，例如电流互感器和电力变压器，通常用于保护继电器。最快的吞吐率和更高分辨率的泛型支持自动化测试设备（ATE）应用程序，高带宽模式允许快速建立瞬态信号。

高输入阻抗支持直接传感器接口，而灵活的PGA支持各种模拟输入范围和类型：真差分、单端、双极性和单极性。

高度优化的噪声和动态范围性能，支持在数十kHz带宽范围内采集更小的输入信号。

过采样功能允许在吞吐速率与噪声性能之间求得平衡，以提高动态范围。新的泛型还包括高级数字功能：失调、增益和相位校准，以及用于更高鲁棒性解决方案的诊断功能。

图5 AD7606x系列参数

DAC AD537X系列AD5372/AD5373分别是16-bit或14-bit DAC，采用64引脚LQFP封装。器件提供4倍于基准电压的缓冲电压输出范围。每个DAC的增益和失调均能够独立调整，以去除误差。更灵活的是，器件被分为4组，每组8个DAC。2个失调DAC用于调整每组的输出范围。第0组通过失调DAC 0进行调整，第1组到第3组通过失调DAC 1进行调整。

AD5372/AD5373提供VSS从-16.5 V 到-4.5 V、VDD从9 V 到16.5 V宽电压范围内的可靠工作。负载电流为1mA时，输出放大器的裕量需求为1.4 V。

AD5372/AD5373具有与SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口标准兼容的高速串行接口，能够处理高达50 MHz的时钟速率。

DAC寄存器在接收新数据时更新。通过将LDAC输入引脚拉低，所有输出能够同时更新。每个通道都具有可编程增益和失调调整寄存器。

每个DAC输出能相对外部SIGGND输入被放大和缓冲。DAC输出也能够通过CLR引脚切换到SIGGND。

图6 AD537x系列参数

 

放大器介绍

仪表放大器AD8422是一款精密、低功耗、低噪声轨到轨仪表放大器，具有业界优质的每单位微安性能。AD8422以超低失真性能处理信号，在整个输出范围内负载不影响性能。

AD8422是业界标准AD620发展到第三代的产品。AD8422采用新式的处理技术和设计技巧，比历代产品具有更高的动态范围和更低的误差，同时功耗不足三分之一。

AD8422具有极低的偏置电流，高源阻抗时不会产生误差，允许多个传感器多路复用至输入端。低电压噪声和低电流噪声特性使AD8422成为测量惠斯登电桥的理想选择。

AD8422的宽输入范围和轨到轨输出特性使其具有单电源应用中高性能仪表放大器所能具有的全部优势。无论使用高电源电压或低电源电压，AD8422的节能特性使其成为极精密误差预算的高通道数或功耗敏感型应用的极佳选择。

AD8422具有鲁棒的输入保护，确保稳定性，并且不牺牲噪声性能。AD8422具有高ESD抑制能力和针对来自相反供电轨、高达40 V的连续电压输入保护。

通过一个电阻可将增益设置为1至1000。基准引脚可用来向输出电压施加精确失调。

图7 仪表放大器参数

 

基准源介绍

ADR4520/ADR4525/ADR4530/ADR4533/ADR4540/ADR4550器件均为高精度、低功耗、低噪声(1uV p-p)、低温漂(2ppm/°C)基准电压源，最大初始误差为±0.02%，并具有出色的温度稳定性和低输出噪声。

该系列基准电压源使用创新的内核拓扑结构来实现高精度，同时提供业界领先的温度稳定性和噪声性能。器件的低热致输出电压滞后和低长期输出电压漂移也提高了寿命和温度范围内的系统精度。

950 μA的最大工作电流和300 mV的最大低压差使该器件适合便携式设备。

 

温度传感器介绍

ADT7422是一款高精度数字 I2C 温度传感器。包含一个内部带隙基准电压源、一个温度传感器和一个精密模数转换器(ADC)。ADT7422 提供16位温度结果，在25°C 至50°C 的温度范围内，分辨率为0.0078°C，精度高达±0.1°C。在以3.0 V 电压运行时，平均电源电流通常为 210μA。关断时电流通常为2μA。

MAX31865 是一款RTD至数字输出转换器。SPI接口。外接RTD一般为PT100或PT1000。内部集成15位ADC，分辨率为0.031°C，具有±45V 输入保护。

MAX30208 是一款高精度I2C接口数字温度传感器。内部包含一个16位ADC，分辨率可到0.0078°C，精度高达±0.1°C（25°C -50°C）。在以3.0 V 电压运行时，平均电源电流通常为 47μA。关断时电流通常为2μA。

 

电源介绍

ADP5071

 

具有独立正输出和负输出的2 A/1.2 A DC-DC开关稳压器

宽输入电源电压范围：2.85 V至15 V

产生调节良好的独立电阻可编程VPOS和VNEG输出

升压调节器产生VPOS输出可调正输出至39 V集成2.0 A主开关

反相稳压器产生VNEG输出可调负输出至VIN − 39 V集成1.2 A主开关

正输出和负输出均能真正关断

1.2 MHz/2.4 MHz开关频率，可选外部频率同步范围为1.0 MHz至2.6 MHz

电阻可编程软启动定时器

LT3045

 

超低RMS噪声：0.8µVRMS（10Hz至100kHz）

超低散粒噪声：2nV/√Hz（10kHz时）

超高PSRR：76dB（1MHz时）

宽输入电压范围：1.8V至20V；输出电压范围：0V至15V

输出电流：500mA；可编程电流限值

单个电容改善了噪声性能和PSRR

100µA SET引脚电流，初始精度：±1% 且单个电阻设置输出电压

低压差：260mV

可并联以实现较低的噪声和较高的电流

LT3094

 

超低 RMS 噪声：0.8μVRMS (10Hz 至 100kHz)

超低点噪声：在10kHz时，为2.2nV/√Hz

超高 PSRR:74dB (在 1MHz)

宽输入电压范围：−1.8V 至 −20V；输出电压范围：0V 至 −19.5V

输出电流：500mA且可编程限流值

单电容器改善了噪声和 PSRR 指标，最小输出电容：10μF (陶瓷)

100μA SET 引脚电流：±1% 初始准确度且单个电阻器设置输出电压

低压差电压：235mV

 

ADI可以为太阳能模拟器数据采集与控制系统这类产品的应用提供完整的方案。包括低功耗、低噪声、高精度的AD/DA和仪表放大器；低功耗、高性能的MCU；高精度数字温度传感器和电压基准源以及低噪声电源。用户可根据产品实际应用环境选择最合适器件以及最优方案。其授权代理商Excelpoint世健能为客户提供技术支持，有助于客户缩短产品开发周期，加快产品应用部署。