化學電池充電器支持用于太陽能電池板的最大功率點跟蹤

LTC4015是一款通用的同步降壓型充電器，可支持包括鉛酸、鋰離子和磷酸鐵鋰(LiFepO4)在內的多種化學電池。LTC4015擁有大量的電池充電功能，包括庫侖計數以及多種電池和系統監視能力。不過，本文將著重闡述其可實現太陽能電池板最大功率點跟蹤(MppT)功能的輸入控制環路。

關于那些尚未接觸過MppT基本概念、或可以使用知識更新的讀者，請登錄。不管您具備多少MppT常識，要理解LTC4015的實現辦法，就必需弄懂LTC4015的多控制環路工作原理，這一點是很緊要。

器件的基本工作原理

LTC4015采用一個驅動MN2和MN3的峰值電流模式同步降壓型控制器給電池充電(見圖1)。該控制器能調節4個參數：輸入電壓(采用UVCLFB引腳)、輸入電流(CLp和CLN)、電池充電電壓(BATSENS)和電池充電電流(CSp和CSN)。峰值電感器電流控制和電池充電電流調節均利用測試電阻器RSNSB完成。除了這兩種功能之外，RSNSB還使LTC4015能監視電池充電和放電電流、電池ESR和電池庫侖計數。輸入電壓調節是MppT工作原理的一個緊要部分，將在下一節具體討論。

LTC4015采用一種理想二極管“合路”powerpath架構，以實現輸入電源和電池至系統負載的無縫連接。倘若VIN>VCSp(電池電壓)，則理想二極管MN1把VIN連接至VSYS，而倘若VCSp>VIN，則Mp1把電池連接至VSYS。除了從VIN給系統供電之外，兩個二極管控制器還和充電器一起工作，以從電池給系統供電(沒有反向驅動VIN)，并保證可向系統供應電能，即使在來自VIN的功率不足或缺失的情況下也不例外。

當可供應給開關充電器的功率由于編程輸入電流限制(輸入電流調節)或輸入欠壓限制(輸入電壓調節)電路運行而受限時，充電電流將自動減小以確定系統負載的供電優先級。然而，緊要的是應留意到，LTC4015僅限制充電電流，但是并不限制從輸入傳遞至系統負載的電流–倘若在充電電流減小至零之后，單是系統負載所需的功率就超過了輸入可供應的水平，則VSYS非得降至電池電壓，以便由電池供應補充功率。

圖1：簡化的LTC4015使用電路拓撲(不一定專為太陽能電池板輸入進行了優化)

這一點關于MppT運作是很緊要。LTC4015有效地運用了其操控充電電流以調節輸入電流和輸入電壓的能力。換句話說，倘若輸入電壓的降幅足夠大以至于UVCLFB引腳電壓降至低于其DAC設定的伺服電壓，則減小充電電流以試圖保持該輸入電壓電平。同樣，假若輸入電流開始超過DAC設定的輸入電流限值，則減小充電電流以期維持該輸入電流水平。然而，倘若充電電流減小至零，那么LTC4015將失去其進一步影響輸入電流或輸入電壓的能力。要更具體地研究LTC4015MppT的工作原理，以知道這些問題至關重要的原由。

MppT工作原理

LTC4015最大功率點跟蹤算法執行周期性的全局搜索以及繼續的局部抖動，以確保給系統供電的太陽能電池板處于其峰值功率運行狀態。全局搜索是確保繼續抖動算法未被困在某個局部最大功率點(而應當是固定在全局最大功率點)所必需的。視太陽能電池板詳盡構造的不同，這有可能出今朝部分遮蔭的情況下。

局部抖動和全局搜索利用了被稱為UVCL(即欠壓電流限制)的LTC4015輸入電壓調節功能。UVCL控制環路在VIN(采用一個VIN分壓器在UVCLFB引腳上觀察)降至一個設定電平(VIN_UVCL_SETTING)時自動地減小充電電流，從而戒備阻性或電流限制輸入電源降至過低(例如：低于欠壓閉鎖UVLO門限)。

全局搜索使VIN_UVCL_SETTING以步進的方式通過其整個數值范圍，并謹慎地戒備把VIN拉至低于UVLO或VIN_DUVLO(差分欠壓閉鎖)門限。倘若輸入電壓降至電池電壓的約100mV以內，則滿足了差分UVLO條件。在每個VIN_UVCL_SETTING電平，測量充電電流。當掃描完成時，LTC4015將使用與最大實測電池充電電流相對應的VIN_UVCL_SETTING值。

由于電池電壓為低阻抗且在整個掃描過程中相對穩定，因此最大電池充電電流與最大輸出功率很好地對應。在全局搜索之后，通過使VIN_UVCL_SETTING緩慢地抖動(約莫每秒一次)來跟蹤最大功率的小幅變化。LTC4015周期性地(約莫每15分鐘一次)執行VIN_UVCL_SETTING值新的全局搜索、使用新的最大功率點、并在該點上恢復抖動。圖2示出了后隨局部抖動的典型MppT全局搜索。

圖2：MppT搜索算法

抖動算法以使VIN_UVCL_SETTING遞增一個梯級并測量新的充電電流作為開始。倘若新的充電電流大于前一個測量值，則VIN_UVCL_SETTING以約莫每秒一次的速率持續遞增，直到充電電流減小或VIN_UVCL_SETTING達到全標度為止，抖動方向在這一點上反轉。全標度對應于VUVCLFB=1.2V和一個36.5V輸入電壓(采用所需的UVCLFBMppT電阻分壓器值)。在相反的方向，VIN_UVCL_SETTING以約莫每秒一次的速率遞減，直到充電電流減小或輸入電壓降至過于接近UVLO門限為止，抖動方向在這一點上再次反轉。

MppT特殊考慮因素

雖然MppT的工作原理在多數條件下都是相當簡單，但是也存在少量一反常態的情況。LTC4015在這些情況下將跳出基本算法的束縛，以試圖最大限度新增太陽能電池板停留在其真正最大功率點上的時間。

抖動期間充電電流的顯著變化

當LTC4015采用抖動算法時，倘若電池充電電流在單個抖動梯級中下降了1%或更多，那么抖動方向在僅7ms(而不是正常的1秒)之后就將反轉。這最大限度新增了停留在最高功率設定值的時間。同樣，倘若充電電流的逐級變化大于±25%，則該算法重復一次全局搜索，而不會等待標準的15分鐘。最大全局搜索重復率為每5分鐘一次。

輸入電流限制設置

如上文提及的那樣，LTC4015在MppT算法執行期間監視輸入電壓，以確保它未降至低于其中某個UVLO門限。繼續監視下的另一個標準為LTC4015是不是實在處于采用數字遙測系統之vin_uvcl_active位的UVCL調節狀態。請記住有4個參數是可調的：輸入電壓(VIN_UVCL_SETTING)、輸入電流(IIN_LIMIT_SETTING)、充電電壓(VCHARGE_SETTING)和充電電流(ICHARGE_TARGET)。關于MppT使用，提議把輸入電流限值(IIN_LIMIT_SETTING)設定為大于或等于太陽能電池板的最大短路電流承受能力。這可確保輸入電流調節不會干擾MppT電路運作。然而，其他兩個調節環路可以接管控制：充電電壓和充電電流。

可用的電流足夠

在全局搜索或抖動階段中，倘若充電電壓或充電電流調節所需的電流小于欠壓電流限值UVCL，則意味著太陽能電池板可在該特定VIN_UVCL_SETTING滿足正常充電條件。在該點上，抖動方向發生反轉或全局搜索停止。在全局搜索期間，導致退出UVCL調節環路的VIN_UVCL_SETTING很可能對應于最大充電電流。倘若出于某種異常原由它并不對應于最大充電電流，則LTC4015將斜坡回升至對應于最大充電電流的VIN_UVCL_SETTING。

低的可用功率

當由已完成的全局搜索所測量的最大充電電流低于全標度的約5%時，會出現一種特殊場合，此時的全標度對應于RSNSB兩端上的32mV(例如，關于4A充電器為200mA)。在該場合中，LTC4015返回在全局搜索期間發現的VIN_UVCL_SETTING，但是并不試圖抖動。在該充電電流水平上，個別ADC讀數中的噪聲變得分明，而且抖動有可能導致不穩定的運行。

更低的可用功率

倘若由已完成的全局搜索所測量的最大充電電流更低，小于全標度的約1%(例如：關于4A充電器為40mA，即在RSNSB兩端上僅為320μV)，則LTC4015已經幾乎失去了其控制太陽能電池板功率的能力。盡管如此，為實現太陽能電池板輸出功率的最大化做了最后一次嘗試。LTC4015返回一個與當VIN_UVCL_SETTING位于全標度時測量的太陽能電池板開路電壓的70%相對應的VIN_UVCL_SETTING。由于太陽能電池板通常用一個為其開路電壓70%–80%的電壓出現最大功率，而且功率在太陽能電池板電壓降低時緩慢地滾降，因此這是利用最少可用信息實現功率最大化的最佳嘗試。

二極管“合路”拓撲的潛在問題

視詳盡使用條件的不同，二極管“合路”拓撲(見圖1)可以實現太陽能電池板功率的次優利用。考慮一下圖3所示的簡化LTC4015電源通路(powerpath)架構。

圖3：LTC4015powerpath架構

倘若系統負載新增至超過了太陽能電池板的電流供應能力，則兩個理想二極管控制器都將接通，而且MN1和Mp1傳導電流以支持新增的負載。太陽能電池板輸出電壓驟降至系統負載電壓，后者驟降至電池電壓。

采用與電池電壓相等的太陽能電池板電壓工作不可能出現最大功率，但是在大多數使用中，這不應當是一個嚴重關愛的問題。

太陽能電池板的尺寸應按這樣的標準來確定，即：均勻來說，其功率容量大于均勻負載功率。倘若不滿足該條件，則電池將不充電。因此，圖3所描繪的情形不應當是常見的。

此外，任何與LTC4015配對使用的太陽能電池板還具有一個

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