太陽能電池板最大功率點跟蹤簡化

電池技術的進步和器件性能的提高已經使人們有可能做出復雜的電子產品，這可在兩次充電之間以長時間運行。即便如此，就某些設備而言，通過插入電網的電源插座給電池再充電有時是不可能的。路邊的應急電話、導航浮標和偏遠的氣象監測站僅是少數幾種無法接入電網的使用，因此這類使用非得從周圍環境收集能量。

太陽能電池板作為能量收集電源有巨大的發展潛力，它們僅要電池儲存所收集的能量，并在光線暗淡時持續供電。太陽能電池板相對昂貴，因此從電池板抽取最大功率關于最大限度地減小電池板尺寸至關緊要。比較棘手的問題是，如何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出現最大功率的工作點(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)。要執行最大峰值功率跟蹤功能，經常要使用復雜的算法，例如周期性地改變電池板的負載，同時筆直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，強制在供應峰值輸出功率的工作點上運行。這類算法一般要復雜的電路及微解決器控制辦法。

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(VMp)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出現的功率之間存在一種有趣的關系。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(VMp)上，就能使電池板出現峰值輸出功率。因此，利用這個VMp特性，而不是采用復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的浮置電壓給電池包充電。LT3652含有一種創新性的輸入調節電路，該電路采用一種簡單和自動的辦法以控制充電器的輸入電源電壓，當使用穩定性不佳的電源(例如太陽能電池板時)，這種辦法很有用。LT3652HV是該充電器的高壓版本，能以高達18V的浮置電壓給電池包充電。

輸入調節環路保持太陽能電池板在峰值功率點上運行倘若輸入電源電壓向著設定值方向下降，那么LT3652的輸入調節環路就線性地降低輸出的電池充電電流。這個閉環調節電路跟隨充電電流，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定值。當由太陽能電池板供電時，通過簡單地將最低輸入電壓值設定為等于電池板的峰值電源電壓VMp，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定。

倘若充電時，LT3652所要的功率超過了可從太陽能電池板得到的功率，那么LT3652的輸入調節環路就隨之使充電電流降低。之所以出現這種情況，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，該調節環路都保持太陽能電池板的輸入電壓等于設定的VMp，正如VIN_REG引腳上的電阻器分壓器所設定的那樣。

該輸入調節環路是一種簡單和鎮靜的辦法以強制特定太陽能電池板在峰值功率點上工作。采用其他穩定性不佳的電源時(例如輸入電源在過流條件下可能出現崩潰的情況)，也可以用這個輸入電壓調節環路來優化運作。

集成和全功能的電池充電器LT3652以固定的1MHz開關頻率工作，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，以供應高達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”太陽能電池板有關之電壓范圍，這類系統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。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組成和配置，包括多達3節串聯的鋰離子/聚合物電池、多達4節串聯的LiFepO4(磷酸鐵鋰)電池以及多達6節串聯的密封鉛酸(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節鋰離子/聚合物或5節LiFepO4電池包。

LT3652含有一個可編程安全按時器，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，就能啟動該按時器。將TIMER引腳短接到地，就可將LT3652配置為，當充電電流下降到低于所設定最大值的10%(C/10)時終止充電，而C/10測試的準確度為±2.5%。利用安全按時器實現終止，準許在電流低于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。倘若電池電壓降至比所設定的浮置電壓低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3mmx3mmDFN和MSOp封裝。

節能和具低靜態電流的停機模式LT3652有一個門限精確的停機引腳，準許利用一個電阻器分壓器簡單地實現欠壓閉鎖功能。當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引腳，顯示了LT3652電池充電器的工作狀態、/CHRG和/FAULT。這些狀態引腳可驅動LED，以發出可視的充電器狀態信號，或可用作面向控制系統的邏輯電平信號。

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LiFepO4電池充電器。當太陽能電池板照明不充足時，這個電路從電池向系統負載供電，而當太陽能電池板能供應系統負載所需功率時，就筆直從太陽能電池板供電。輸入電壓調節環路針對具17V峰值功率輸入的太陽能電池板而設定。該充電器采用C/10終止，因此當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來供應狀態和故障信號。這些二進制編碼的引腳發出電池充電、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LiFepO4電池的2A太陽能電池板電源管理器

輸入電壓穩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定。當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對應于VIN_REG引腳的2.7V。這個伺服環路就是這樣動作，以動態地將充電器系統的功率需求降至太陽能電池板能供應的最大功率，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輸入電壓調節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，要一個隔離二極管。這個二極管兩端的壓降出現了功率損耗項，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LiFepO4充電器用p溝道FET實現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LiFepO42A充電器。這個充電器具14.5V輸入電壓調節門限，且當VIN≥13V時，由SHDN引腳啟動。充電周期終止是由3小時的按時器周期控制的。隔離二極管在使用時，通常與輸入電源串聯，以實現反向電壓保護，該隔離二極管被一個FET取代了。另外，用一個10V的齊納二極管實現箝位，以戒備超過FET的VGS最大值。倘若規定的VIN范圍沒有超過輸入FET的VGS最大值，那么這個箝位就不要。

在正常充電周期(ICHG>C/10)的大電流充電期間，/CHRG狀態引腳保持為低電平。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，可提高轉換效率。圖5顯示，與采用肖特基隔離二極管工作時相比，新增這個隔離FET使效率提高了4%。

圖5：當采用15V輸入對10.8V三節LiFepO4電池充電時，肖特基隔離二極管與隔離FET的效率比較

倘若該按時器用來實現終止，那么一旦達到2A的負載而繼續放電，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，從而準許該充電器出現全部6A系統充電電流。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狀態指示燈都會亮起。類似地，任何IC的NTC故障都會使/FAULT狀態指示燈亮起。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的。倘若任何一個IC出現了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處理辦法，適合種類繁多的電池化學組成和配置。LT3652同樣適用于在家中以傳統方式供電的使用，供應了小型、高效率的充電處理辦法，適用于多種電池化學組成和電池包電壓。

這些太陽能供電的充電器處理辦法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，而降低知道決辦法的成本。該IC緊湊的尺寸加之不太多的外部組件需求，準許構成既纖巧又不昂貴的獨立充電器系統，從而使便攜式電子產品真正不依靠于電網而供應了一種簡單和高效率的處理辦法。

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