電池充電器獨(dú)特的輸入調(diào)節(jié)環(huán)路簡化太陽能電池板最大功率點(diǎn)跟蹤

電池技術(shù)的進(jìn)步和器件性能的提高已經(jīng)使人們有可能做出復(fù)雜的電子產(chǎn)品，這可在兩次充電之間以長時(shí)間運(yùn)行。即便如此，就某些設(shè)備而言，通過插入電網(wǎng)的電源插座給電池再充電有時(shí)是不可能的。路邊的應(yīng)急電話、導(dǎo)航浮標(biāo)和偏遠(yuǎn)的氣象監(jiān)測(cè)站僅是少數(shù)幾種無法接入電網(wǎng)的應(yīng)用，因此這類應(yīng)用必須從周圍環(huán)境收集能量。

太陽能電池板作為能量收集電源有巨大的發(fā)展?jié)摿?，它們僅需要電池儲(chǔ)存所收集的能量，并在光線暗淡時(shí)繼續(xù)供電。太陽能電池板相對(duì)昂貴，因此從電池板抽取最大功率對(duì)于最大限度地減小電池板尺寸至關(guān)重要。比較棘手的問題是，怎樣平衡太陽能電池板尺寸和所需功率。太陽能電池板的特性要求是要仔細(xì)管理隨負(fù)載變化的電池板輸出功率，以在各種不同的照明條件下，有效優(yōu)化電池板的輸出功率。

就給定照明量而言，太陽能電池板有一個(gè)特定產(chǎn)生最大功率的工作點(diǎn) (參見圖 1)。隨著照明條件改變，保持在這個(gè)峰值功率點(diǎn)上運(yùn)行的做法，稱為最大峰值功率跟蹤 (MPPT)。要執(zhí)行最大峰值功率跟蹤功能，常常需要使用復(fù)雜的算法，例如周期性地改變電池板的負(fù)載，同時(shí)直接測(cè)量電池板的輸出電壓和輸出電流，計(jì)算電池板的輸出功率，然后隨著照明和 / 或溫度條件的改變，強(qiáng)制在提供峰值輸出功率的工作點(diǎn)上運(yùn)行。這類算法一般需要復(fù)雜的電路及微處理器控制方法。

圖 1：一個(gè)太陽能電池板在不同的照明量情況下，電流隨電壓以及功率隨電壓的變化。
無論照明量大小，該電池板的輸出電壓在最大功率點(diǎn) (V_MP) 上都保持相對(duì)固定

不過，在太陽能電池板的輸出電壓和該電池板產(chǎn)生的功率之間存在一種有趣的關(guān)系。在最大功率點(diǎn)時(shí)，無論照明量大小，太陽能電池板的輸出電壓都保持相對(duì)固定。因此，在電池板工作時(shí)，強(qiáng)制保持輸出電壓在這個(gè)峰值功率電壓 (V_MP) 上，就能使電池板產(chǎn)生峰值輸出功率。因此，利用這個(gè) V_MP 特性，而不是采用復(fù)雜的最大峰值功率跟蹤電路和算法，電池充電器就能保持峰值功率傳送。

LT3652 電池充電器的幾個(gè)特點(diǎn)
LT3652 是一款完整的單片降壓型且適用于多種電池化學(xué)組成的充電器，以高達(dá) 32V (絕對(duì)最大值為 40V) 的輸入電壓工作，并以高達(dá) 14.4V 的浮置電壓給電池組充電。LT3652 含有一種創(chuàng)新性的輸入調(diào)節(jié)電路，該電路采用一種簡單和自動(dòng)的方法以控制充電器的輸入電源電壓，當(dāng)使用穩(wěn)定性不佳的電源 (例如太陽能電池板時(shí))，這種方法很有用。LT3652HV 是該充電器的高壓版本，能以高達(dá) 18V 的浮置電壓給電池組充電。

輸入調(diào)節(jié)環(huán)路保持太陽能電池板在峰值功率點(diǎn)上運(yùn)行
如果輸入電源電壓向著設(shè)定值方向下降，那么 LT3652 的輸入調(diào)節(jié)環(huán)路就線性地降低輸出的電池充電電流。這個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)電路跟隨充電電流，因此也就跟隨輸入電源的負(fù)載而變化，這樣輸入電源電壓就可保持為等于或高于設(shè)定值。當(dāng)由太陽能電池板供電時(shí)，通過簡單地將最低輸入電壓值設(shè)定為等于電池板的峰值電源電壓 V_MP，LT3652 就能以最大峰值功率跟蹤模式工作。所希望的峰值功率電壓通過一個(gè)電阻器分壓器設(shè)定。

如果充電時(shí)，LT3652 所需要的功率超過了可從太陽能電池板得到的功率，那么 LT3652 的輸入調(diào)節(jié)環(huán)路就隨之使充電電流降低。之所以出現(xiàn)這種情況，可能是因?yàn)樗Ｍ碾姵爻潆婋娏魃仙蛱柲茈姵匕逭彰髁肯陆?。在任何一種情況下，該調(diào)節(jié)環(huán)路都保持太陽能電池板的輸入電壓等于設(shè)定的 V_MP，正如 VIN_REG 引腳上的電阻器分壓器所設(shè)定的那樣。

該輸入調(diào)節(jié)環(huán)路是一種簡單和從容的方法以強(qiáng)制特定太陽能電池板在峰值功率點(diǎn)上工作。采用其他穩(wěn)定性不佳的電源時(shí) (例如輸入電源在過流條件下可能出現(xiàn)崩潰的情況)，也可以用這個(gè)輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路來優(yōu)化運(yùn)作。

集成和全功能的電池充電器
LT3652 以固定的 1MHz 開關(guān)頻率工作，具有恒定電流 / 恒定電壓 (CC/CV) 充電特性。該器件可用外部電阻器編程，以提供高達(dá) 2A 的充電電流，同時(shí)充電電流準(zhǔn)確度為 ±5%。該 IC 尤其適用于與流行和價(jià)格不高的“12V 系統(tǒng)”太陽能電池板有關(guān)之電壓范圍，這類系統(tǒng)的典型開路電壓約為 25V。

該充電器采用 3.3V 浮置電壓反饋基準(zhǔn)，因此用一個(gè)電阻器分壓器就可設(shè)定想要的電池浮置電壓在 3.3V 至 14.4V (采用 LT3652HV 時(shí)則高達(dá) 18V) 的范圍內(nèi)。LT3652 的浮置電壓反饋準(zhǔn)確度為 ±0.5%。LT3652 的寬輸出電壓范圍適用于很多電池化學(xué)組成和配置，包括多達(dá) 3 節(jié)串聯(lián)的鋰離子 / 聚合物電池、多達(dá) 4 節(jié)串聯(lián)的 LiFePO4 (磷酸鐵鋰) 電池以及多達(dá) 6 節(jié)串聯(lián)的密封鉛酸 (SLA) 電池。該充電器的高壓版本 LT3652HV 也已供貨。LT3652HV 以高達(dá) 34V 的輸入電壓工作，可充電至 18V 浮置電壓，適用于 4 節(jié)鋰離子 / 聚合物或 5 節(jié) LiFePO4 電池組。

LT3652 含有一個(gè)可編程安全定時(shí)器，用來在達(dá)到所希望的時(shí)間后終止充電。簡單地將一個(gè)電容器連接到 TIMER 引腳，就能啟動(dòng)該定時(shí)器。將 TIMER 引腳短接到地，就可將 LT3652 配置為，當(dāng)充電電流下降到低于所設(shè)定最大值的 10% (C/10) 時(shí)終止充電，而 C/10 檢測(cè)的準(zhǔn)確度為 ±2.5%。利用安全定時(shí)器實(shí)現(xiàn)終止，允許在電流低于 C/10 時(shí)進(jìn)行 Top-Off 型充電。一旦充電終止，LT3652 就進(jìn)入低電流 (85µA) 備用模式。如果電池電壓降至比所設(shè)定的浮置電壓低 2.5%，那么自動(dòng)再充電功能就啟動(dòng)一個(gè)新的充電周期。LT3652 采用扁平、12 引線 3mm x 3mm DFN 和 MSOP 封裝。

節(jié)能和具低靜態(tài)電流的停機(jī)模式
LT3652 有一個(gè)門限精確的停機(jī)引腳，允許利用一個(gè)電阻器分壓器簡單地實(shí)現(xiàn)欠壓閉鎖功能。當(dāng)處于低電流停機(jī)模式時(shí)，LT3652 僅從輸入電源吸取 15µA 電流。通過使用一個(gè)連接到該器件 NTC 引腳的熱敏電阻器來監(jiān)視電池溫度，該 IC 還支持溫度合格的充電。該器件有兩個(gè)二進(jìn)制編碼的集電極開路狀態(tài)引腳，顯示了 LT3652 電池充電器的工作狀態(tài)、/CHRG 和 /FAULT。這些狀態(tài)引腳可驅(qū)動(dòng) LED，以發(fā)出可視的充電器狀態(tài)信號(hào)，或可用作面向控制系統(tǒng)的邏輯電平信號(hào)。

簡單的太陽能供電電池充電器
圖 2 顯示了一個(gè)具電源通路管理的 2A 兩節(jié) LiFePO₄ 電池充電器。當(dāng)太陽能電池板照明不充分時(shí)，這個(gè)電路從電池向系統(tǒng)負(fù)載供電，而當(dāng)太陽能電池板能提供系統(tǒng)負(fù)載所需功率時(shí)，就直接從太陽能電池板供電。輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路針對(duì)具 17V 峰值功率輸入的太陽能電池板而設(shè)定。該充電器采用 C/10 終止，因此當(dāng)所需電池充電電流降至低于 200mA 時(shí)，充電電路就被停用。這個(gè) LT3652 充電器還用兩個(gè) LED 來提供狀態(tài)和故障信號(hào)。這些二進(jìn)制編碼的引腳發(fā)出電池充電、備用或停機(jī)模式信號(hào)以及電池溫度故障和壞電池故障信號(hào)。

圖 2：一個(gè)具 17V 峰值功率跟蹤和面向兩節(jié)
LiFePO₄ 電池的 2A 太陽能電池板電源管理器

輸入電壓穩(wěn)定點(diǎn)用太陽能電池板輸出與 VIN_REG 引腳之間的電阻器分壓器設(shè)定。當(dāng)太陽能電池板的輸出向 17V 急劇下降時(shí)，就降低最大輸出充電電流，該 17V 對(duì)應(yīng)于 VIN_REG 引腳的 2.7V。這個(gè)伺服環(huán)路就是這樣動(dòng)作，以動(dòng)態(tài)地將充電器系統(tǒng)的功率需求降至太陽能電池板能提供的最大功率，從而保持了太陽能電池板的電能利用率接近 100%，如圖 3 所示。

圖 3：17V 輸入電壓調(diào)節(jié)門限對(duì)太陽能電池板峰值功率的跟蹤程度超過 98%

希望效率更高? 用隔離 FET 取代隔離二極管
在電池電壓高于 4.2V 時(shí)使用 LT3652，需要一個(gè)隔離二極管。這個(gè)二極管兩端的壓降產(chǎn)生了功率損耗項(xiàng)，降低了充電效率。如圖 4 所示，用一個(gè) P 溝道 FET 取代該隔離二極管，就可以極大地降低這一功率損耗項(xiàng)。

圖 4：一個(gè) 2A 的三節(jié) LiFePO₄ 充電器用 P 溝道 FET 實(shí)現(xiàn)輸入隔離以提高大電流充電效率

圖 4 所示是一個(gè)具 10.8V 浮置電壓的 3 節(jié) LiFePO4 2A 充電器。這個(gè)充電器具 14.5V 輸入電壓調(diào)節(jié)門限，且當(dāng) V_IN ≥ 13V 時(shí)，由 SHDN 引腳啟動(dòng)。充電周期終止是由 3 小時(shí)的定時(shí)器周期控制的。隔離二極管在使用時(shí)，通常與輸入電源串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)反向電壓保護(hù)，該隔離二極管被一個(gè) FET 取代了。另外，用一個(gè) 10V 的齊納二極管實(shí)現(xiàn)箝位，以防止超過 FET 的 V_GS 最大值。如果規(guī)定的 V_IN 范圍沒有超過輸入 FET 的 V_GS 最大值，那么這個(gè)箝位就不需要。

在正常充電周期 (I_CHG > C/10) 的大電流充電期間，/CHRG 狀態(tài)引腳保持為低電平。在如圖 4 所示的充電器中，這個(gè) /CHRG 信號(hào)用來將隔離 FET 的柵極拉低，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低阻抗電源通路，這個(gè)通路沒有隔離二極管壓降，可提高轉(zhuǎn)換效率。圖 5 顯示，與采用肖特基隔離二極管工作時(shí)相比，增加這個(gè)隔離 FET 使效率提高了 4%。

圖 5：當(dāng)采用 15V 輸入對(duì) 10.8V 三節(jié) LiFePO₄ 電池充電時(shí)，
肖特基隔離二極管與隔離 FET 的效率比較

如果該定時(shí)器用來實(shí)現(xiàn)終止，那么一旦達(dá)到 C/10 的充電電流，該 FET 的本體二極管就提供一個(gè)傳導(dǎo)通路，/CHRG 引腳就變成高阻抗。如果需要，那么肖特基隔離二極管可以留下來，與該隔離 FET 并聯(lián)，以在定時(shí)器控制的充電周期的 Top-Off 部分提高轉(zhuǎn)換效率。將 FETKEY 作為隔離組件使用，還提高了 Top-Off 效率。

害怕黑暗? 用一個(gè)理想二極管實(shí)現(xiàn)弱光應(yīng)用
當(dāng) LT3652 在有效充電時(shí)，該 IC 給開關(guān)環(huán)路提供一個(gè)內(nèi)部負(fù)載，以確保在所有條件下都實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工作。無論何時(shí)，只要充電周期有效，就讓 BAT 引腳吸收 2mA 電流，這樣就可以提供這一內(nèi)部負(fù)載。在太陽能電池板供電的電池充電器中，弱光情況可能使輸入太陽能電池板的電壓急劇下降至低于輸入調(diào)節(jié)門限，從而使輸出充電電流降至零。如果在這種情況下 (即電池板電壓保持高于 UVLO 門限) 充電器保持啟動(dòng)狀態(tài)，那么內(nèi)部的電池負(fù)載就導(dǎo)致電池出現(xiàn)凈的漏電流。顯然這不是所希望的，幸運(yùn)的是，通過采用一個(gè)單向傳遞組件，以防止電流從電池回流，就可以消除這種情況。

凌力爾特公司制造了一款高效率傳遞組件 IC，即 LTC4411 理想二極管，該器件的有效正向壓降接近零。由于在傳導(dǎo)時(shí)該器件的正向壓降極低，所以對(duì)充電器的總體效率和最終浮置電壓的影響是微不足道的。

圖 6 所示是一個(gè) LT3652 太陽能供電電池充電器，該充電器利用一個(gè) LTC4411 理想二極管 IC 實(shí)現(xiàn)了弱光反向保護(hù)。在弱光情況下，如果電池板的電壓急劇下降至低于輸入調(diào)節(jié)門限，那么 LT3652 就將電池充電電流降至零。在輸入電壓保持高于 UVLO 門限的情況下，該充電器保持啟動(dòng)，但停留在零充電電流狀態(tài)。LT3652 試圖使 BAT 引腳吸收 2mA 電流，不過，LTC4411 防止電池的反向傳導(dǎo)。

圖 6：具理想二極管輸出傳遞組件和太陽能供電的 2A 鋰離子電池充電器；
LTC4411 理想二極管 IC 在弱光情況下防止反向傳導(dǎo)

需要升壓? 沒問題。一個(gè)兩級(jí)降壓-升壓型電池充電器
采用一個(gè)前端升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，LT3652 就可以用于升壓型和升壓/降壓型充電器應(yīng)用。該前端轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)局部高壓電源，以使 LT3652 用作輸入電源。當(dāng)采用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器時(shí)，LT3652 的輸入調(diào)節(jié)環(huán)路可以完美地發(fā)揮作用。

圖 7 顯示了一個(gè)由低壓太陽能電池板供電和具 4.2V 浮置電壓的 1.5A 單節(jié)鋰離子電池充電器。該充電器設(shè)計(jì)為用一個(gè)峰值功率電壓為 3.8V 的太陽能電池板工作。

圖 7：低壓太陽能電池板為 1.5A 單節(jié)鋰離子電池的降壓 / 升壓型充電器供電。
LT3479 升高太陽能電池板的 3.8V 輸出，以使 LT3652 充電器工作。
LT3652 的閉環(huán)工作系統(tǒng)中包括升壓型轉(zhuǎn)換器，從而可將 LT3479 的輸入調(diào)節(jié)至太陽能電池板的 3.8V V_MP。

以 1MHz 頻率工作的 LT3479 升壓型開關(guān)轉(zhuǎn)換器用在前端，以產(chǎn)生一個(gè) 8V 電源，該電源用來給 LT3652 供電。這個(gè)充電器工作時(shí)，輸入電壓低至 3.8V 的輸入調(diào)節(jié)門限，高達(dá) 24V 的 LT3479 最大輸入電壓。當(dāng)輸入電壓接近 (或高于) 8V 時(shí)，LT3479 升壓型轉(zhuǎn)換器不再穩(wěn)定，最終以 0% 的占空比工作，并通過至 LT3652 的肖特基通路二極管，有效地短路輸入電源。因?yàn)檩斎胝{(diào)節(jié)環(huán)路監(jiān)視 LT3479 的輸入，所以當(dāng)輸入電壓向著輸入調(diào)節(jié)門限急劇下降時(shí)，LT3652 就減小充電電流，從而降低了 LT3479 升壓型轉(zhuǎn)換器的電流需求。該輸入電壓隨著該調(diào)節(jié)點(diǎn)而變化，同時(shí)升壓型轉(zhuǎn)換器和 LT3652 充電器一起從太陽能電池板抽取峰值功率。

需要更大的充電電流？采用更多的 LT3652 充電器
多個(gè) LT3652 充電器可以并聯(lián)使用，以產(chǎn)生一個(gè)充電電流能力超過單個(gè) LT3652 的充電器。在圖 8 所示應(yīng)用中，由 3 個(gè) 2A 的 LT3652 充電器組成的網(wǎng)絡(luò)是并聯(lián)連接的，以產(chǎn)生一個(gè) 6A、浮置電壓為 12.3V、采用 C/10 終止的 3 節(jié)鋰離子電池充電器。這個(gè)充電器與太陽能電源是兼容的，具 20V 輸入調(diào)節(jié)門限。這個(gè)充電器還采用了一個(gè)輸入隔離 FET，以提高充電效率。

圖 8：使用 3 個(gè) LT3652 充電器 IC 的 6A 三節(jié)鋰離子電池充電器

3 個(gè) LT3652 充電器 IC 共用一個(gè)共同的浮置電壓反饋網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)共同的輸入調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。建議使用具 250kΩ 等效電阻的反饋網(wǎng)絡(luò)，以補(bǔ)償進(jìn)入 LT3652 V_FB 引腳的輸入偏置電流。既然在這個(gè)充電器中 3 個(gè) LT3652 共用同一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)，那么輸入偏置電流也是通過該網(wǎng)絡(luò)分享的，所以網(wǎng)絡(luò)等效電阻降至 250kΩ/3，即約為 83kΩ。

由于基準(zhǔn)電壓的容限，在進(jìn)行自動(dòng)再充電時(shí)，這些 IC 中的某一個(gè)有可能先于其他 IC 加電。在這種情況下，電池以 2A 的最大電流自動(dòng)再充電。如果電池由于 >2A 的負(fù)載而持續(xù)放電，那么第二個(gè)充電器就加入工作。更大的放電電流將使第三個(gè)充電器 IC 也加入工作，從而允許該充電器產(chǎn)生全部 6A 系統(tǒng)充電電流。所有 LT3652 的 /CHRG 引腳都連在一起，以啟動(dòng)輸入隔離 FET，這樣該 FET 就呈現(xiàn)低阻抗，而不管這些 IC 自動(dòng)重啟的順序。

3 個(gè) LT3652 共用 NTC 和狀態(tài)功能，同時(shí)每個(gè) IC 都使用專門的 NTC 熱敏電阻器。這些 IC 的集電極開路狀態(tài)引腳短接在一起，這樣任何或所有充電器啟動(dòng)工作后，/CHRG 狀態(tài)指示燈都會(huì)亮起。類似地，任何 IC 的 NTC 故障都會(huì)使 /FAULT 狀態(tài)指示燈亮起。每個(gè) LT3652 的 NTC 功能都是相互從屬的，而這種從屬性是通過所有 3 個(gè) IC 的公共 /FAULT 引腳與公共 VIN_REG 引腳之間連接的二極管實(shí)現(xiàn)的。如果任何一個(gè) IC 出現(xiàn)了 NTC 故障，那么這個(gè)二極管就將 VIN_REG 引腳拉低至低于 VIN_REG 門限，這將停用所有輸出充電電流，直到溫度故障情況解除為止。

結(jié)論
LT3652 是一款通用的平臺(tái)，適用于簡單和高效率的太陽能供電電池充電器解決方案，適合種類繁多的電池化學(xué)組成和配置。LT3652 同樣適用于在家中以傳統(tǒng)方式供電的應(yīng)用，提供了小型、高效率的充電解決方案，適用于多種電池化學(xué)組成和電池組電壓。

這些太陽能供電的充電器解決方案保持太陽能電池板的利用率接近 100%，從而由于最大限度地減小了電池板面積，而降低了解決方案的成本。該 IC 緊湊的尺寸加之不太多的外部組件需求，允許構(gòu)成既纖巧又不昂貴的獨(dú)立充電器系統(tǒng)，從而使便攜式電子產(chǎn)品真正不依賴于電網(wǎng)而提供了一種簡單和高效率的解決方案。