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

電池技術(shù)的進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間運行。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是不可能的。路邊的應(yīng)急電話、導(dǎo)航浮標(biāo)和偏遠的氣象監(jiān)測站僅是少數(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?，它們僅需要電池儲存所收集的能量，并在光線暗淡時繼續(xù)供電。太陽能電池板相對昂貴，因此從電池板抽取最大功率對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管理隨負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特定產(chǎn)生最大功率的工作點 (參見圖 1)。隨著照明條件改變，保持在這個峰值功率點上運行的做法，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載，同時直接測量電池板的輸出電壓和輸出電流，計算電池板的輸出功率，然后隨著照明和 / 或溫度條件的改變，強制在提供峰值輸出功率的工作點上運行。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 (V_MP) 上都保持相對固定

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。在最大功率點時，無論照明量大小，太陽能電池板的輸出電壓都保持相對固定。因此，在電池板工作時，強制保持輸出電壓在這個峰值功率電壓 (V_MP) 上，就能使電池板產(chǎn)生峰值輸出功率。因此，利用這個 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 電池充電器的幾個特點
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 32V (絕對最大值為 40V) 的輸入電壓工作，并以高達 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)，這種方法很有用。LT3652HV 是該充電器的高壓版本，能以高達 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上運行
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，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電阻器分壓器設(shè)定。

如果充電時，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，可能是因為所希望的電池充電電流上升，或太陽能電池板照明量下降。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制特定太陽能電池板在峰值功率點上工作。采用其他穩(wěn)定性不佳的電源時 (例如輸入電源在過流條件下可能出現(xiàn)崩潰的情況)，也可以用這個輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路來優(yōu)化運作。

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 2A 的充電電流，同時充電電流準確度為 ±5%。該 IC 尤其適用于與流行和價格不高的“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，因此用一個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 時則高達 18V) 的范圍內(nèi)。LT3652 的浮置電壓反饋準確度為 ±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 3 節(jié)串聯(lián)的鋰離子 / 聚合物電池、多達 4 節(jié)串聯(lián)的 LiFePO4 (磷酸鐵鋰) 電池以及多達 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 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 含有一個可編程安全定時器，用來在達到所希望的時間后終止充電。簡單地將一個電容器連接到 TIMER 引腳，就能啟動該定時器。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) 時終止充電，而 C/10 檢測的準確度為 ±2.5%。利用安全定時器實現(xiàn)終止，允許在電流低于 C/10 時進行 Top-Off 型充電。一旦充電終止，LT3652 就進入低電流 (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%，那么自動再充電功能就啟動一個新的充電周期。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)電流的停機模式
LT3652 有一個門限精確的停機引腳，允許利用一個電阻器分壓器簡單地實現(xiàn)欠壓閉鎖功能。當(dāng)處于低電流停機模式時，LT3652 僅從輸入電源吸取 15µA 電流。通過使用一個連接到該器件 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。該器件有兩個二進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 LED，以發(fā)出可視的充電器狀態(tài)信號，或可用作面向控制系統(tǒng)的邏輯電平信號。

簡單的太陽能供電電池充電器
圖 2 顯示了一個具電源通路管理的 2A 兩節(jié) LiFePO₄ 電池充電器。當(dāng)太陽能電池板照明不充分時，這個電路從電池向系統(tǒng)負載供電，而當(dāng)太陽能電池板能提供系統(tǒng)負載所需功率時，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，充電電路就被停用。這個 LT3652 充電器還用兩個 LED 來提供狀態(tài)和故障信號。這些二進制編碼的引腳發(fā)出電池充電、備用或停機模式信號以及電池溫度故障和壞電池故障信號。

圖 2：一個具 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，就降低最大輸出充電電流，該 17V 對應(yīng)于 VIN_REG 引腳的 2.7V。這個伺服環(huán)路就是這樣動作，以動態(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 時使用 LT3652，需要一個隔離二極管。這個二極管兩端的壓降產(chǎn)生了功率損耗項，降低了充電效率。如圖 4 所示，用一個 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。

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

圖 4 所示是一個具 10.8V 浮置電壓的 3 節(jié) LiFePO4 2A 充電器。這個充電器具 14.5V 輸入電壓調(diào)節(jié)門限，且當(dāng) V_IN ≥ 13V 時，由 SHDN 引腳啟動。充電周期終止是由 3 小時的定時器周期控制的。隔離二極管在使用時，通常與輸入電源串聯(lián)，以實現(xiàn)反向電壓保護，該隔離二極管被一個 FET 取代了。另外，用一個 10V 的齊納二極管實現(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 /CHRG 信號用來將隔離 FET 的柵極拉低，從而實現(xiàn)了一個低阻抗電源通路，這個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相比，增加這個隔離 FET 使效率提高了 4%。

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

如果該定時器用來實現(xiàn)終止，那么一旦達到 C/10 的充電電流，該 FET 的本體二極管就提供一個傳導(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? 用一個理想二極管實現(xiàn)弱光應(yīng)用
當(dāng) LT3652 在有效充電時，該 IC 給開關(guān)環(huán)路提供一個內(nèi)部負載，以確保在所有條件下都實現(xiàn)閉環(huán)工作。無論何時，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) 充電器保持啟動狀態(tài)，那么內(nèi)部的電池負載就導(dǎo)致電池出現(xiàn)凈的漏電流。顯然這不是所希望的，幸運的是，通過采用一個單向傳遞組件，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)時該器件的正向壓降極低，所以對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 LT3652 太陽能供電電池充電器，該充電器利用一個 LTC4411 理想二極管 IC 實現(xiàn)了弱光反向保護。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，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。一個兩級降壓-升壓型電池充電器
采用一個前端升壓型 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)生一個局部高壓電源，以使 LT3652 用作輸入電源。當(dāng)采用兩個轉(zhuǎn)換器時，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)計為用一個峰值功率電壓為 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 8V 電源，該電源用來給 LT3652 供電。這個充電器工作時，輸入電壓低至 3.8V 的輸入調(diào)節(jié)門限，高達 24V 的 LT3479 最大輸入電壓。當(dāng)輸入電壓接近 (或高于) 8V 時，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。因為輸入調(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，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)點而變化，同時升壓型轉(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 LT3652 充電器可以并聯(lián)使用，以產(chǎn)生一個充電電流能力超過單個 LT3652 的充電器。在圖 8 所示應(yīng)用中，由 3 個 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 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。這個充電器還采用了一個輸入隔離 FET，以提高充電效率。

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

3 個 LT3652 充電器 IC 共用一個共同的浮置電壓反饋網(wǎng)絡(luò)和一個共同的輸入調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。建議使用具 250kΩ 等效電阻的反饋網(wǎng)絡(luò)，以補償進入 LT3652 V_FB 引腳的輸入偏置電流。既然在這個充電器中 3 個 LT3652 共用同一個反饋網(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。

由于基準電壓的容限，在進行自動再充電時，這些 IC 中的某一個有可能先于其他 IC 加電。在這種情況下，電池以 2A 的最大電流自動再充電。如果電池由于 >2A 的負載而持續(xù)放電，那么第二個充電器就加入工作。更大的放電電流將使第三個充電器 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，以啟動輸入隔離 FET，這樣該 FET 就呈現(xiàn)低阻抗，而不管這些 IC 自動重啟的順序。

3 個 LT3652 共用 NTC 和狀態(tài)功能，同時每個 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工作后，/CHRG 狀態(tài)指示燈都會亮起。類似地，任何 IC 的 NTC 故障都會使 /FAULT 狀態(tài)指示燈亮起。每個 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 IC 的公共 /FAULT 引腳與公共 VIN_REG 引腳之間連接的二極管實現(xiàn)的。如果任何一個 IC 出現(xiàn)了 NTC 故障，那么這個二極管就將 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，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。