太阳能电池板最大功率点跟踪简化

电池技术的进步和器件性能的提高已经使人们有可能做出复杂的电子产品，这可在两次充电之间以长时间运行。即便如此，就某些设备而言，通过插入电网的电源插座给电池再充电有时是不可能的。路边的应急电话、导航浮标和偏远的气象监测站仅是少数几种无法接入电网的应用，因此这类应用必须从周围环境收集能量。

太阳能电池板作为能量收集电源有巨大的发展潜力，它们仅要电池储存所收集的能量，并在光线暗淡时继续供电。太阳能电池板相对昂贵，因此从电池板抽取最大功率关于最大限度地减小电池板尺寸至关重要。比较棘手的问题是，怎么样平衡太阳能电池板尺寸和所需功率。太阳能电池板的特性要求是要仔细管理随负载变化的电池板输出功率，以在各种不同的照明条件下，有效优化电池板的输出功率。

就给定照明量而言，太阳能电池板有一个特定出现最大功率的工作点(参见图1)。随着照明条件改变，保持在这个峰值功率点上运行的做法，称为最大峰值功率跟踪(MppT)。要执行最大峰值功率跟踪功能，常常要使用复杂的算法，例如周期性地改变电池板的负载，同时直接测量电池板的输出电压和输出电流，计算电池板的输出功率，然后随着照明和/或温度条件的改变，强制在供应峰值输出功率的工作点上运行。这类算法一般要复杂的电路及微处理器控制方法。

图1：一个太阳能电池板在不同的照明量情况下，电流随电压以及功率随电压的变化。无论照明量大小，该电池板的输出电压在最大功率点(VMp)上都保持相对固定

不过，在太阳能电池板的输出电压和该电池板出现的功率之间存在一种有趣的关系。在最大功率点时，无论照明量大小，太阳能电池板的输出电压都保持相对固定。因此，在电池板工作时，强制保持输出电压在这个峰值功率电压(VMp)上，就能使电池板出现峰值输出功率。因此，利用这个VMp特性，而不是采用复杂的最大峰值功率跟踪电路和算法，电池充电器就能保持峰值功率传送。

LT3652电池充电器的几个特点LT3652是一款完整的单片降压型且适用于多种电池化学组成的充电器，以高达32V(绝对最大值为40V)的输入电压工作，并以高达14.4V的浮置电压给电池组充电。LT3652含有一种创新性的输入调节电路，该电路采用一种简单和自动的方法以控制充电器的输入电源电压，当使用稳定性不佳的电源(例如太阳能电池板时)，这种方法很有用。LT3652HV是该充电器的高压版本，能以高达18V的浮置电压给电池组充电。

输入调节环路保持太阳能电池板在峰值功率点上运行假如输入电源电压向着设定值方向下降，那么LT3652的输入调节环路就线性地降低输出的电池充电电流。这个闭环调节电路跟随充电电流，因此也就跟随输入电源的负载而变化，这样输入电源电压就可保持为等于或高于设定值。当由太阳能电池板供电时，通过简单地将最低输入电压值设定为等于电池板的峰值电源电压VMp，LT3652就能以最大峰值功率跟踪模式工作。所希望的峰值功率电压通过一个电阻器分压器设定。

假如充电时，LT3652所要的功率超过了可从太阳能电池板得到的功率，那么LT3652的输入调节环路就随之使充电电流降低。之所以出现这种情况，可能是因为所希望的电池充电电流上升，或太阳能电池板照明量下降。在任何一种情况下，该调节环路都保持太阳能电池板的输入电压等于设定的VMp，正如VIN_REG引脚上的电阻器分压器所设定的那样。

该输入调节环路是一种简单和从容的方法以强制特定太阳能电池板在峰值功率点上工作。采用其他稳定性不佳的电源时(例如输入电源在过流条件下可能出现崩溃的情况)，也可以用这个输入电压调节环路来优化运作。

集成和全功能的电池充电器LT3652以固定的1MHz开关频率工作，具有恒定电流/恒定电压(CC/CV)充电特性。该器件可用外部电阻器编程，以供应高达2A的充电电流，同时充电电流准确度为±5%。该IC尤其适用于与流行和价格不高的“12V系统”太阳能电池板有关之电压范围，这类系统的典型开路电压约为25V。

该充电器采用3.3V浮置电压反馈基准，因此用一个电阻器分压器就可设定想要的电池浮置电压在3.3V至14.4V(采用LT3652HV时则高达18V)的范围内。LT3652的浮置电压反馈准确度为±0.5%。LT3652的宽输出电压范围适用于很多电池化学组成和配置，包括多达3节串联的锂离子/聚合物电池、多达4节串联的LiFepO4(磷酸铁锂)电池以及多达6节串联的密封铅酸(SLA)电池。该充电器的高压版本LT3652HV也已供货。LT3652HV以高达34V的输入电压工作，可充电至18V浮置电压，适用于4节锂离子/聚合物或5节LiFepO4电池组。

LT3652含有一个可编程安全按时器，用来在达到所希望的时间后终止充电。简单地将一个电容器连接到TIMER引脚，就能启动该按时器。将TIMER引脚短接到地，就可将LT3652配置为，当充电电流下降到低于所设定最大值的10%(C/10)时终止充电，而C/10检测的准确度为±2.5%。利用安全按时器实现终止，允许在电流低于C/10时进行Top-Off型充电。一旦充电终止，LT3652就进入低电流(85µA)备用模式。假如电池电压降至比所设定的浮置电压低2.5%，那么自动再充电功能就启动一个新的充电周期。LT3652采用扁平、12引线3mmx3mmDFN和MSOp封装。

节能和具低静态电流的停机模式LT3652有一个门限精确的停机引脚，允许利用一个电阻器分压器简单地实现欠压闭锁功能。当处于低电流停机模式时，LT3652仅从输入电源吸取15µA电流。通过使用一个连接到该器件NTC引脚的热敏电阻器来监视电池温度，该IC还支持温度合格的充电。该器件有两个二进制编码的集电极开路状态引脚，显示了LT3652电池充电器的工作状态、/CHRG和/FAULT。这些状态引脚可驱动LED，以发出可视的充电器状态信号，或可用作面向控制系统的逻辑电平信号。

简单的太阳能供电电池充电器图2显示了一个具电源通路管理的2A两节LiFepO4电池充电器。当太阳能电池板照明不充分时，这个电路从电池向系统负载供电，而当太阳能电池板能供应系统负载所需功率时，就直接从太阳能电池板供电。输入电压调节环路针对具17V峰值功率输入的太阳能电池板而设定。该充电器采用C/10终止，因此当所需电池充电电流降至低于200mA时，充电电路就被停用。这个LT3652充电器还用两个LED来供应状态和故障信号。这些二进制编码的引脚发出电池充电、备用或停机模式信号以及电池温度故障和坏电池故障信号。

图2：一个具17V峰值功率跟踪和面向两节LiFepO4电池的2A太阳能电池板电源管理器

输入电压稳定点用太阳能电池板输出与VIN_REG引脚之间的电阻器分压器设定。当太阳能电池板的输出向17V急剧下降时，就降低最大输出充电电流，该17V对应于VIN_REG引脚的2.7V。这个伺服环路就是这样动作，以动态地将充电器系统的功率需求降至太阳能电池板能供应的最大功率，从而保持了太阳能电池板的电能利用率接近100%，如图3所示。

图3：17V输入电压调节门限对太阳能电池板峰值功率的跟踪程度超过98%

希望效率更高?用隔离FET取代隔离二极管在电池电压高于4.2V时使用LT3652，要一个隔离二极管。这个二极管两端的压降出现了功率损耗项，降低了充电效率。如图4所示，用一个p沟道FET取代该隔离二极管，就可以极大地降低这一功率损耗项。

图4：一个2A的三节LiFepO4充电器用p沟道FET实现输入隔离以提高大电流充电效率

图4所示是一个具10.8V浮置电压的3节LiFepO42A充电器。这个充电器具14.5V输入电压调节门限，且当VIN≥13V时，由SHDN引脚启动。充电周期终止是由3小时的按时器周期控制的。隔离二极管在使用时，通常与输入电源串联，以实现反向电压保护，该隔离二极管被一个FET取代了。另外，用一个10V的齐纳二极管实现箝位，以防止超过FET的VGS最大值。假如规定的VIN范围没有超过输入FET的VGS最大值，那么这个箝位就不要。

在正常充电周期(ICHG>C/10)的大电流充电期间，/CHRG状态引脚保持为低电平。在如图4所示的充电器中，这个/CHRG信号用来将隔离FET的栅极拉低，从而实现了一个低阻抗电源通路，这个通路没有隔离二极管压降，可提高转换效率。图5显示，与采用肖特基隔离二极管工作时相比，新增这个隔离FET使效率提高了4%。

图5：当采用15V输入对10.8V三节LiFepO4电池充电时，肖特基隔离二极管与隔离FET的效率比较

假如该按时器用来实现终止，那么一旦达到

害怕黑暗?用一个理想二极管实现弱光应用当LT3652在有效充电时，该IC给开关环路供应一个内部负载，以确保在所有条件下都实现闭环工作。无论何时，只要充电周期有效，就让BAT引脚吸收2mA电流，这样就可以供应这一内部负载。在太阳能电池板供电的电池充电器中，弱光情况可能使输入太阳能电池板的电压急剧下降至低于输入调节门限，从而使输出充电电流降至零。假如在这种情况下(即电池板电压保持高于UVLO门限)充电器保持启动状态，那么内部的电池负载就导致电池出现净的漏电流。显然这不是所希望的，幸运的是，通过采用一个单向传递组件，以防止电流从电池回流，就可以消除这种情况。

凌力尔特公司制造了一款高效率传递组件IC，即LTC4411理想二极管，该器件的有效正向压降接近零。由于在传导时该器件的正向压降极低，所以对充电器的总体效率和最终浮置电压的影响是微不足道的。

图6所示是一个LT3652太阳能供电电池充电器，该充电器利用一个LTC4411理想二极管IC实现了弱光反向保护。在弱光情况下，假如电池板的电压急剧下降至低于输入调节门限，那么LT3652就将电池充电电流降至零。在输入电压保持高于UVLO门限的情况下，该充电器保持启动，但停留在零充电电流状态。LT3652试图使BAT引脚吸收2mA电流，不过，LTC4411防止电池的反向传导。

图6：具理想二极管输出传递组件和太阳能供电的2A锂离子电池充电器；LTC4411理想二极管IC在弱光情况下防止反向传导

要升压?没问题。一个两级降压-升压型电池充电器采用一个前端升压型DC/DC转换器，LT3652就可以用于升压型和升压/降压型充电器应用。该前端转换器出现一个局部高压电源，以使LT3652用作输入电源。当采用两个转换器时，LT3652的输入调节环路可以完美地发挥用途。

图7显示了一个由低压太阳能电池板供电和具4.2V浮置电压的1.5A单节锂离子电池充电器。该充电器设计为用一个峰值功率电压为3.8V的太阳能电池板工作。

图7：低压太阳能电池板为1.5A单节锂离子电池的降压/升压型充电器供电。LT3479升高太阳能电池板的3.8V输出，以使LT3652充电器工作。LT3652的闭环工作系统中包括升压型转换器，从而可将LT3479的输入调节至太阳能电池板的3.8VVMp。

以1MHz频率工作的LT3479升压型开关转换器用在前端，以出现一个8V电源，该电源用来给LT3652供电。这个充电器工作时，输入电压低至3.8V的输入调节门限，高达24V的LT3479最大输入电压。当输入电压接近(或高于)8V时，LT3479升压型转换器不再稳定，最终以0%的占空比工作，并通过至LT3652的肖特基通路二极管，有效地短路输入电源。因为输入调节环路监视LT3479的输入，所以当输入电压向着输入调节门限急剧下降时，LT3652就减小充电电流，从而降低了LT3479升压型转换器的电流需求。该输入电压随着该调节点而变化，同时升压型转换器和LT3652充电器一起从太阳能电池板抽取峰值功率。

要更大的充电电流？采用更多的LT3652充电器多个LT3652充电器可以并联使用，以出现一个充电电流能力超过单个LT3652的充电器。在图8所示应用中，由3个2A的LT3652充电器组成的网络是并联连接的，以出现一个6A、浮置电压为12.3V、采用C/10终止的3节锂离子电池充电器。这个充电器与太阳能电源是兼容的，具20V输入调节门限。这个充电器还采用了一个输入隔离FET，以提高充电效率。

图8：使用3个LT3652充电器IC的6A三节锂离子电池充电器

3个LT3652充电器IC共用一个共同的浮置电压反馈网络和一个共同的输入调节网络。建议使用具250kΩ等效电阻的反馈网络，以补偿进入LT3652VFB引脚的输入偏置电流。既然在这个充电器中3个LT3652共用同一个反馈网络，那么输入偏置电流也是通过该网络分享的，所以网络等效电阻降至250kΩ/3，即约为83kΩ。

由于基准电压的容限，在进行自动再充电时，这些IC中的某一个有可能先于其他IC加电。在这种情况下，电池以2A的最大电流自动再充电。假如电池由于>2A的负载而持续放电，那么第二个充电器就加入工作。更大的放电电流将使第三个充电器IC也加入工作，从而允许该充电器出现全部6A系统充电电流。所有LT3652的/CHRG引脚都连在一起，以启动输入隔离FET，这样该FET就呈现低阻抗，而不管这些IC自动重启的顺序。

3个LT3652共用NTC和状态功能，同时每个IC都使用专门的NTC热敏电阻器。这些IC的集电极开路状态引脚短接在一起，这样任何或所有充电器启动工作后，/CHRG状态指示灯都会亮起。类似地，任何IC的NTC故障都会使/FAULT状态指示灯亮起。每个LT3652的NTC功能都是相互从属的，而这种从属性是通过所有3个IC的公共/FAULT引脚与公共VIN_REG引脚之间连接的二极管实现的。假如任何一个IC出现了NTC故障，那么这个二极管就将VIN_REG引脚拉低至低于VIN_REG门限，这将停用所有输出充电电流，直到温度故障情况解除为止。

结论LT3652是一款通用的平台，适用于简单和高效率的太阳能供电电池充电器解决方法，适合种类繁多的电池化学组成和配置。LT3652同样适用于在家中以传统方式供电的应用，供应了小型、高效率的充电解决方法，适用于多种电池化学组成和电池组电压。

这些太阳能供电的充电器解决方法保持太阳能电池板的利用率接近100%，从而由于最大限度地减小了电池板面积，而降低了解决方法的成本。该IC紧凑的尺寸加之不太多的外部组件需求，允许构成既纤巧又不昂贵的独立充电器系统，从而使便携式电子产品真正不依赖于电网而供应了一种简单和高效率的解决方法。