基于LT3652的太陽能充電器設(shè)計(jì)方法

摘要： 基于太陽能充電器需求的不斷增加，采用LT3652電池充電管理芯片設(shè)計(jì)了一種多功能太陽能充電器。在詳細(xì)介紹LT3652 輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路及該芯片的其他功能的基礎(chǔ)上，針對設(shè)計(jì)過程中涉及的元器件選型，PCB布線注意事項(xiàng)作了詳細(xì)介紹。同時(shí)對如何設(shè)計(jì)更具有生命力和適應(yīng)性的充電器產(chǎn)品給出了建議。本方案的太陽能充電器可實(shí)現(xiàn)對光伏電池的最大峰值功率跟蹤，使充電效率最大化，同時(shí)也減少光伏電池使用量。該太陽能充電器具有很高的浮充電壓精度，可滿足對充電電壓要求嚴(yán)苛的充電設(shè)備的充電需求。

太陽能作為一種免費(fèi)的綠色清潔能源，在越來越多的場合中得以應(yīng)用，如太陽能路燈、太陽能航海浮標(biāo)以及諸如手機(jī)、GPS 導(dǎo)航儀、相機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的戶外充電。一般采用光伏電池作為光電轉(zhuǎn)換器件，并將電能存儲(chǔ)在充電電池中供這些設(shè)備使用。光伏電池的內(nèi)部構(gòu)造決定其效率有限，目前商用單晶硅電池效率為13%~18%;加之其造價(jià)較高，因此從光伏電池中抽取最大功率減少其使用量，并實(shí)現(xiàn)蓄電設(shè)備的高效快速充電成為太陽能充電器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用最大峰值功率跟蹤(MPPT)的方法可實(shí)現(xiàn)從光伏電池中抽取最大功率。

1 LT3652 介紹

對于單晶硅光伏電池，其最大功率點(diǎn)發(fā)生在每條V-I 曲線的拐點(diǎn)處。盡管不同光照強(qiáng)度下光伏電池的最大峰值功率點(diǎn)不同，但各個(gè)最大峰值功率點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓基本保持不變，如圖1 所示。此電壓稱為最大峰值功率電壓，以VP(MAX)表示。為使光伏電池工作在最大功率輸出點(diǎn)，充電器需將其輸出電壓保持在V P(MAX)附近。本設(shè)計(jì)采用凌力爾特公司生產(chǎn)的LT3652 作為充電管理芯片。該芯片采用一種特殊的輸入電壓調(diào)整環(huán)路，當(dāng)使用太陽能電池板作為輸入電源時(shí)，當(dāng)光伏電池板輸出電壓降低到某一設(shè)定值，LT3652 就會(huì)自動(dòng)降低充電電流，使光伏電池板保持在最大峰值功率輸出點(diǎn)。

圖1 單晶硅光伏電池輸出特性曲線

1.1 LT3652 充電管理芯片功能介紹

LT3652 支持多種化學(xué)組分的電池，是一種中等功率的單片降壓式充電管理芯片，采用平均電流模式降壓式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。特殊的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路可以通過電阻分壓器方便設(shè)定最低輸入電壓。

LT3652 可設(shè)置最大充電電流高達(dá)2 A,其內(nèi)部恒定頻率為1 MHz 的高頻開關(guān)，可提高充電效率。芯片具有從4.95~32 V寬輸入電壓范圍，其浮充電壓V BAT(FLOAT)可由電阻分壓器方便設(shè)置，最高可達(dá)14.4 V,滿足絕大多數(shù)充電電池的充電需求。

精密的門限關(guān)斷引腳

支持欠壓鎖定功能。兩個(gè)OC 門引腳

,灌電流高達(dá)10 mA,可驅(qū)動(dòng)LED 以標(biāo)識充電器的充電或故障狀態(tài)。該芯片還具有電池溫度監(jiān)視、壞電池檢測以及自動(dòng)充電功能。

在電池充電期間， 當(dāng)芯片檢測到電池電壓低于0.7 倍的V BAT(FLOAT)時(shí)，充電器自動(dòng)進(jìn)入預(yù)置充電模式。此模式下，充電器為電池涓流充電， 充電電流為最大充電電流I CHRG(MAX)的15%.當(dāng)電池電壓升至V BAT(FLOAT)的70%以上時(shí)，充電電流自動(dòng)增大至I CHRG(MAX)。

LT3652 提供兩種充電終止模式供選擇：C/10 模式和TIMER 模式。C/10 表示實(shí)際充電電流為最大充電電流的十分之一。在此模式下，當(dāng)充電電流低于I CHRG(MAX)的十分之一(C/10)時(shí)，充電器則停止充電。使用TIMER 模式，充電器則可以以低于C/10 的電流為電池充電。當(dāng)一個(gè)充電周期tEOC結(jié)束時(shí)，若電池充滿，則充電器停止充電，否則將重啟新的充電周期，直至電池充滿。電池充滿的標(biāo)識為電池電壓達(dá)到V BAT(FLOAT)的97.5%以上。在TIMER 模式下，充電器支持壞電池檢測功能。當(dāng)充電器停留在預(yù)置模式的時(shí)間超過tEOC的1/8 時(shí)，

引腳電平被拉低。

充電結(jié)束后，LT3652 進(jìn)入低電流待機(jī)模式， 在待機(jī)模式下，芯片仍可管理電池電壓，當(dāng)電池電壓下降到V BAT(FLOAT)的97.5%以下時(shí)，將自動(dòng)為電池充電。

1.2 輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路

LT3652 的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路通過電阻分壓器可方便設(shè)定最低輸入電壓， 并能根據(jù)輸入電壓的大小自動(dòng)調(diào)整充電電流，實(shí)現(xiàn)對太陽能電池板的最大峰值功率跟蹤。輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路對輸入電壓的有特定的調(diào)節(jié)范圍：V REG(MIN)~V REG(MAX)。調(diào)節(jié)范圍由VIN和V IN_REG之間的電阻分壓器設(shè)置，如圖2(a)所示。

圖2 設(shè)置各門限電壓的電阻分壓器

引腳內(nèi)置的基準(zhǔn)電壓范圍為2.67~2.74 V,因此對應(yīng)輸入電壓的調(diào)節(jié)范圍為：

如圖3 所示，V IN_REG對R SENSE上的壓降(V SENSE-V BAT)具有控制作用，將圖中V IN_REG控制曲線擬合得：

圖3 V IN_REG對(V SENSE-V BAT)的控制曲線

當(dāng)V IN_REG引腳電壓在2.67~2.74 V 區(qū)間時(shí)，光伏電池板輸出電壓在相應(yīng)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。對于光伏電池板，光照強(qiáng)度的下降或充電電流需求增大，會(huì)造成其輸出電壓的下降，使之偏離最大功率輸出點(diǎn)。當(dāng)光伏電池板輸出電壓下降至調(diào)節(jié)范圍內(nèi)某一值VREG時(shí)，(V SENSE-V BAT)也將下降。而(V SENSE-V BAT)控制充電電流的大小，因此充電電流將減小。因此光伏電池板輸出電壓將沿伏安特性曲線上升， 直至達(dá)到新的峰值功率輸出工作點(diǎn)。也即在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，LT3652 通過控制充電電流使光伏電池板保持峰值功率輸出。

當(dāng)光照很強(qiáng)，光伏電池板輸出功率高于充電電路所需時(shí)，V IN_REG引腳電壓將大于2.74 V,(V SENSE-V BAT) 上升到最大值100 mV 并保持不變。光伏電池板的輸出電壓將超出輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的調(diào)節(jié)范圍。此時(shí)充電器進(jìn)入恒流充電模式，充電電流為最大值I CHRG(MAX) 。

當(dāng)光照強(qiáng)度不足以提供充電所需功率，V IN_REG引腳電壓低于2.67 V 時(shí)，充電器將停止充電。