太陽能電池充電器可在低光照環(huán)境中保持高效率

　　圖 1：太陽能電池板可在一個(gè)特定的輸出電壓 （V_MP） 下產(chǎn)生最大的功率，這相對(duì)地獨(dú)立于照明水平。LT3652 2A 電池充電器通過把太陽能電池板輸入電壓調(diào)節(jié)在 V_MP 以最大限度地增加太陽能電池板的輸出功率。

　　雖然 MPPC 可在低照度期間優(yōu)化太陽能電池板的效率，但當(dāng)功率級(jí)別很低時(shí)電池充電器的電源轉(zhuǎn)換效率將變差，從而導(dǎo)致從太陽能電池板至電池的總功率傳輸效率下降。本文將說明怎樣通過運(yùn)用一種簡單的 PWM 充電方法 （其在功率級(jí)別很低時(shí)強(qiáng)制電池充電器以突發(fā)脈沖的形式釋放能量） 來改善電池充電器效率。

　　采用電流監(jiān)視器狀態(tài)引腳來指示低功率條件

　　LT3652 上的 /CHRG 電流監(jiān)視器狀態(tài)引腳負(fù)責(zé)指示電池充電電流的狀態(tài)，并在這里用于控制 PWM 功能。該引腳在充電器輸出電流大于 C/10 （即編程最大電流的 1/10） 時(shí)被拉至低電平，并在輸出電流低于 C/10 時(shí)呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。

　　在低照度期間，輸入調(diào)節(jié)環(huán)路可把充電器的輸出電流減小至 C/10 以下，從而導(dǎo)致 /CHRG 引腳變至高阻抗。該狀態(tài)引腳的“狀態(tài)變更”功能用于通過觸發(fā)一個(gè)輸入欠壓閉鎖 （UVLO） 電路 （其下降門限位于一個(gè)高于輸入調(diào)節(jié)電壓V_IN(REG) 的太陽能電池板電壓） 來停用 IC。作為針對(duì)充電器停用的響應(yīng)，太陽能電池板電壓將在 UVLO 遲滯范圍內(nèi)爬升，直至達(dá)到 UVLO 上升門限為止，此時(shí)以滿功率重新使能充電器。充電器隨后將提供充電電流，直到輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路再次停用充電器為止。該循環(huán)不斷地重復(fù)，從而產(chǎn)生一個(gè)由一系列高電流突發(fā)脈沖組成的充電器輸出，這可在任何照明水平下最大限度地提高充電器的效率以及整個(gè)太陽能充電器系統(tǒng)的效率。

　　高效率鋰離子電池充電器

　　圖 2 示出了一款具低功率 PWM 功能的太陽能電池板至 3 節(jié)鋰離子電池充電器。該充電器使用了一個(gè) 17V 輸入調(diào)節(jié)電壓 （針對(duì)“12V 系統(tǒng)”太陽能電池板的一種常用V_MP），其采用V_{IN_REG} 引腳上的電阻分壓器 R4 和 R5 來設(shè)置。把一個(gè)典型 12V 系統(tǒng)太陽能電池板的工作電壓保持在其 17V 額定 V_MP 電壓可產(chǎn)生接近 100% 的太陽能電池板效率，如圖 3 所示。低功率 PWM 功能采用 M1、R6、R7 和 R8 來實(shí)現(xiàn)。如圖 4 所示，增設(shè) PWM 電路可顯著在電池充電電流低于 200mA 時(shí)提高效率。

　　圖 2：17V V_MP 太陽能電池板至 3 節(jié)鋰離子電池 （12.6V） 2A 充電器

　　圖 3：典型“12V 系統(tǒng)”（V_MP = 17V） 太陽能電池板效率

　　圖 4：圖 2 所示電路的效率

　　LT3652 的 /CHRG 引腳在所需充電電流超過 2A 編程最大充電電流的 1/10 （即 200mA） 時(shí)被拉至低電平。當(dāng)充電電流被輸入調(diào)節(jié)環(huán)路減小至 200mA 水平以下時(shí)，/CHRG 引腳變至高阻抗，這允許將 M1的柵極上拉至 V_BAT，從而使能 FET M1。該 FET 把 R7 拉至地，從而啟用了一種輸入電壓 UVLO 功能 （其采用了 SHDN 引腳以及由 R6 和 R7 構(gòu)成的電阻分壓器）。UVLO 功能采用該分壓器進(jìn)行設(shè)置，以擁有一個(gè) 18V 的下降門限和一個(gè) 20V 的上升門限。下降門限是一個(gè)關(guān)鍵性的設(shè)計(jì)參數(shù)值，而且必須被設(shè)置為一個(gè)高于輸入調(diào)節(jié)電壓、并且比上升門限低 10% 的電壓 （這是 LT3652 停機(jī)門限遲滯決定的）。

　　在低照度條件下，當(dāng)可用的太陽能電池板功率不足以讓 LT3652 提供所需的充電電流時(shí)，LT3652 的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路將減小輸出充電電流，直到充電器輸入功率與太陽能電池板提供的可用功率相等為止。當(dāng)輸入調(diào)節(jié)環(huán)路運(yùn)行時(shí)，V_IN 上的太陽能電池板電壓被保持在 17V 的編程峰值電源電壓，從而最大限度地增加了太陽能電池板所產(chǎn)生的功率。如果太陽能電池板照度變得足夠低，以至于可用的太陽能電池板功率對(duì)應(yīng)于200mA 以下的充電電流，則 /CHRG 引腳將變至高阻抗且 UVLO 功能通過 M1、R6 和 R7 來使能。

　　由于V_IN 處于 17V （這低于 UVLO 下降門限），因此 LT3652 停機(jī)，從而停用所有的電池充電功能電路。當(dāng)電池充電器停用時(shí)，幾乎所有的太陽能電池板輸出電流都在給輸入電容器 （C1） 充電，這使得V_IN 上的電壓增加，直至達(dá)到 20V 的 UVLO 上升門限為止，從而重新使能 LT3652。由于電池充電器在V_IN 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 17V 輸入調(diào)節(jié)門限的情況下重新使能，所以全部的充電電流均流入電池。作為針對(duì)高電池充電電流水平的響應(yīng)，/CHRG 狀態(tài)引腳被拉至低電平，這將停用 UVLO 功能。只要電池充電器所需的功率低于可從太陽能電池板獲得的功率，太陽能電池板電壓將驟降，直到V_IN 降低至 17V 為止，此時(shí)利用輸入調(diào)節(jié)來減小電池充電電流以維持該電壓。當(dāng)充電電流再次減小至 200mA 時(shí)， /CHRG 引腳變至高阻抗，UVLO 電路被重新啟用，停用/使能循環(huán)重復(fù)進(jìn)行，從而產(chǎn)生一串充電電流“突發(fā)脈沖”，其取平均至與可從太陽能電池板獲得之功率相對(duì)應(yīng)的電池充電電流。

　　圖 5 示出了圖 2 中電路的 PWM 操作。當(dāng) LT3652 停用時(shí)，VIN 上的電壓從 17V 的輸入調(diào)節(jié)門限斜坡上升至 20V 的停機(jī)門限。LT3652 /CHRG 引腳上的電壓在充電器使能時(shí)為低電平，而在充電器停用時(shí)則為高電平。當(dāng)充電器停用時(shí)，太陽能電池板的能量被存儲(chǔ)在輸入電容器中，因此從太陽能電池板提供的輸出功率保持連續(xù)。太陽能電池板的效率對(duì)應(yīng)于PWM 操作期間太陽能電池板上的平均電壓 （其大約為 18.5V）。

　　圖 5：PWM 操作期間的V_IN 波形 （對(duì)于圖 2 中的電路）

　　高效率鉛酸電池充電器

　　圖 6 示出了一款具低電流 PWM 功能的 6 節(jié)鉛酸電池充電器。該電池充電器專為那些與圖 2 中充電器所用的太陽能電池板特性相似的太陽能電池板而設(shè)計(jì)。

　　圖 6：17V V_MP 太陽能電池板至 6 節(jié) 2A 鉛酸電池充電器

　　該鉛酸電池充電器執(zhí)行一種三級(jí)鉛酸電池充電模式，其采用了 2A 大電流充電模式充電、吸收模式充電 （至 14.4V） 和浮動(dòng)充電維護(hù) （在 13.5V）。這款電池充電器在以恒定電流/恒定電壓 （CC/CV） 特性進(jìn)行充電時(shí)可提供最高 2A，充電至高達(dá) 14.4V 的吸收模式調(diào)節(jié)電壓，前提是太陽能電池板可提供足夠的輸入功率。當(dāng)電池接近 14.4V 的調(diào)節(jié)電壓時(shí)，充電電流減小，并將在充電電流下降至 200mA （即最大充電電流的 1/10 ［C/10］） 時(shí)完成吸收模式充電。

　　當(dāng)吸收模式充電完成時(shí)，作為達(dá)到 C/10 充電電流門限的響應(yīng)，/CHRG 引腳變至高阻抗，而且浮動(dòng)模式維護(hù)充電操作開始。在浮動(dòng)模式中調(diào)節(jié)電壓從 14.4V 降至 13.5V，這通過有效地將 R9 從 V_FB 求和節(jié)點(diǎn)移除來實(shí)現(xiàn) ── 當(dāng) /CHRG 由 R8 拉至高電平時(shí)，其利用一個(gè)二極管“或”電路 （D4 和 D5） 來完成 （通過加有反向偏置的 D4）。

　　如果 LT3652 充電器由于太陽能電池板照度水平偏低而遭遇輸入功率不足的情況，也可以執(zhí)行浮動(dòng)模式充電調(diào)節(jié)。假如充電電流減小至 200mA 以下 （通過輸入調(diào)節(jié)） 且 PWM 操作開始，那么 /CHRG 引腳電壓將變?yōu)橐粋€(gè)脈沖波形。D5 和 C5 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)峰值檢波濾波器，其負(fù)責(zé)在 D4 上維持一個(gè)連續(xù)的反向偏置，從而在 PWM 操作期間將充電器保持于浮動(dòng)模式 （V_CHARGE = 13.5V）。如圖 7 所示，增設(shè) PWM 電路可顯著地提高電池充電電流低于 200mA 時(shí)的效率水平。

　　
圖 7：圖 6 所示電路的效率

　　如前文針對(duì)圖 2 中電池充電器所述，在 PWM 操作期間，輸入電壓從 17V 的輸入調(diào)節(jié)門限斜坡上升至 IC 停用周期中的 20V 停機(jī)門限。太陽能電池板的輸出功率對(duì)應(yīng)于太陽能電池板的平均電壓 （即大約 18.5V）。如圖 3 所示，該電壓在較高的輸出電流下處于最佳的工作范圍之內(nèi)，但在低于 200mA 的電流下則高于此范圍。為了在低光照運(yùn)作時(shí)間較長的應(yīng)用中同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽能電池板輸出效率和電池充電器效率的最大化，在突發(fā)周期中應(yīng)降低V_IN(REG) 和 UVLO 電壓。下面將說明一種實(shí)現(xiàn)此目的的方法。

　　具低電流 V_MP 跟蹤功能的高效率鉛酸電池充電器

　　圖 8 中的 LT3652 鉛酸電池充電器與圖 6 中的電池充電器很相似，但其在充電電流低于 200mA 時(shí)也降低了輸入調(diào)節(jié)電壓 （V_IN(REG)）。這可通過跟蹤低電流時(shí)太陽能電池板的典型 V_MP 下降來改善太陽能電池板的效率。

　　
圖 8：具低電池V_MP跟蹤功能的 17V V_MP 太陽能電池板至 6 節(jié) 2A 鉛酸電池充電器

　　低電流 V_MP 跟蹤通過給由 R4 和 R5 組成的輸入調(diào)節(jié)分壓器增添 R10 來實(shí)現(xiàn)。R10 通過一個(gè)二極管“或”電路 （D6 和 D7） 連接至輸入調(diào)節(jié)求和節(jié)點(diǎn)。當(dāng) /CHRG 引腳電壓為高電平時(shí)，利用加有反向偏置的 D7 有效地將 R10 從求和節(jié)點(diǎn)移除，從而把V_IN(REG) 從 17V 降至 15V。

如果由于照度水平偏低的原因而導(dǎo)致充電器遭遇輸入功率不