鉅大鋰電 | 點(diǎn)擊量：0次 | 2019年11月08日
太陽(yáng)能電池充電器可在低光照環(huán)境中保持高效率
任何太陽(yáng)能電池板的一個(gè)重要特性是其可在一個(gè)相對(duì)恒定的工作電壓（VMp）下實(shí)現(xiàn)峰值功率輸出，這與照明水平無(wú)關(guān)（見(jiàn)圖1）。LT36522A電池充電器充分利用了這一特性，以通過(guò)實(shí)施輸入電壓調(diào)節(jié)來(lái)把太陽(yáng)能電池板保持于峰值工作效率（正待專(zhuān)利審議）。當(dāng)可用的太陽(yáng)能功率不足以滿(mǎn)足一個(gè)LT3652電池充電器的功率要求時(shí)，輸入電壓調(diào)節(jié)電路將減小電池充電電流。這將降低太陽(yáng)能電池板上的負(fù)載以把太陽(yáng)能電池板電壓維持在VMp，從而最大限度地增加太陽(yáng)能電池板的輸出功率。這種實(shí)現(xiàn)峰值太陽(yáng)能電池板效率的方法被稱(chēng)為最大功率點(diǎn)控制（MppC）。圖1：太陽(yáng)能電池板可在一個(gè)特定的輸出電壓（VMp）下產(chǎn)生最大的功率，這相對(duì)地獨(dú)立于照明水平。LT36522A電池充電器通過(guò)把太陽(yáng)能電池板輸入電壓調(diào)節(jié)在VMp以最大限度地增加太陽(yáng)能電池板的輸出功率。
圖2：17VVMp太陽(yáng)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)”（VMp=17V）太陽(yáng)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(guò)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VBAT，從而使能FETM1。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(mén)限和一個(gè)20V的上升門(mén)限。下降門(mén)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(mén)限低10%的電壓（這是LT3652停機(jī)門(mén)限遲滯決定的）。
圖5：pWM操作期間的VIN波形（對(duì)于圖2中的電路）
圖6：17VVMp太陽(yáng)能電池板至6節(jié)2A鉛酸電池充電器
圖7：圖6所示電路的效率
圖8：具低電池VMp跟蹤功能的17VVMp太陽(yáng)能電池板至6節(jié)2A鉛酸電池充電器
雖然MppC可在低照度期間優(yōu)化太陽(yáng)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(yáng)能電池板至電池的總功率傳輸效率下降。本文將說(shuō)明怎樣通過(guò)運(yùn)用一種簡(jiǎn)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(lái)改善電池充電器效率。
采用電流監(jiān)視器狀態(tài)引腳來(lái)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(guò)觸發(fā)一個(gè)輸入欠壓閉鎖（UVLO）電路（其下降門(mén)限位于一個(gè)高于輸入調(diào)節(jié)電壓VIN(REG)的太陽(yáng)能電池板電壓）來(lái)停用IC。作為針對(duì)充電器停用的響應(yīng)，太陽(yáng)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(mén)限為止，此時(shí)以滿(mǎn)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池板的一種常用VMp），其采用VIN_REG引腳上的電阻分壓器R4和R5來(lái)設(shè)置。把一個(gè)典型12V系統(tǒng)太陽(yáng)能電池板的工作電壓保持在其17V額定VMp電壓可產(chǎn)生接近100%的太陽(yáng)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(lái)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。
在低照度條件下，當(dāng)可用的太陽(yáng)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(yáng)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)，VIN上的太陽(yáng)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(yáng)能電池板所產(chǎn)生的功率。如果太陽(yáng)能電池板照度變得足夠低，以至于可用的太陽(yáng)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(guò)M1、R6和R7來(lái)使能。
由于VIN處于17V（這低于UVLO下降門(mén)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(yáng)能電池板輸出電流都在給輸入電容器（C1）充電，這使得VIN上的電壓增加，直至達(dá)到20V的UVLO上升門(mén)限為止，從而重新使能LT3652。由于電池充電器在VIN遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于17V輸入調(diào)節(jié)門(mén)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(yáng)能電池板獲得的功率，太陽(yáng)能電池板電壓將驟降，直到VIN降低至17V為止，此時(shí)利用輸入調(diào)節(jié)來(lái)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(yáng)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(mén)限斜坡上升至20V的停機(jī)門(mén)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(yáng)能電池板的能量被存儲(chǔ)在輸入電容器中，因此從太陽(yáng)能電池板提供的輸出功率保持連續(xù)。太陽(yáng)能電池板的效率對(duì)應(yīng)于pWM操作期間太陽(yáng)能電池板上的平均電壓（其大約為18.5V）。
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(zhuān)為那些與圖2中充電器所用的太陽(yáng)能電池板特性相似的太陽(yáng)能電池板而設(shè)計(jì)。
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(yáng)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(mén)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(kāi)始。在浮動(dòng)模式中調(diào)節(jié)電壓從14.4V降至13.5V，這通過(guò)有效地將R9從VFB求和節(jié)點(diǎn)移除來(lái)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(lái)完成（通過(guò)加有反向偏置的D4）。
如果LT3652充電器由于太陽(yáng)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(guò)輸入調(diào)節(jié)）且pWM操作開(kāi)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（VCHARGE=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。
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(mén)限斜坡上升至IC停用周期中的20V停機(jī)門(mén)限。太陽(yáng)能電池板的輸出功率對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)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(zhǎng)的應(yīng)用中同時(shí)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)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VIN(REG)和UVLO電壓。下面將說(shuō)明一種實(shí)現(xiàn)此目的的方法。
具低電流VMp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（VIN(REG)）。這可通過(guò)跟蹤低電流時(shí)太陽(yáng)能電池板的典型VMp下降來(lái)改善太陽(yáng)能電池板的效率。
低電流VMp跟蹤通過(guò)給由R4和R5組成的輸入調(diào)節(jié)分壓器增添R10來(lái)實(shí)現(xiàn)。R10通過(guò)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VIN(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足的情況，將通過(guò)輸入調(diào)節(jié)環(huán)路減小充電電流以維持17V的VMp太陽(yáng)能電池板電壓。倘若充電電流減小至200mA以下，則充電器開(kāi)始執(zhí)行pWM操作且調(diào)節(jié)門(mén)限降低以執(zhí)行浮動(dòng)充電，就像在前面提到的鉛酸電池充電器電路中一樣。此外，該充電器還把VIN(REG)降低至15V，從而跟蹤低電流條件下太陽(yáng)能電池板VMp的下降。
與前文描述的D5和C5相似，D6和C6實(shí)現(xiàn)了一個(gè)峰值檢波濾波器。該濾波器在D7上維持一個(gè)連續(xù)的反向偏置，從而在pWM操作期間將低照度水平下的充電器輸入調(diào)節(jié)電壓保持在15V。pWM控制組件（M1和R6~R8）實(shí)現(xiàn)了16V（下降）和17.5V（上升）的UVLO門(mén)限。在pWM操作期間，VIN條件下的太陽(yáng)能電池板電壓從15V的輸入調(diào)節(jié)電壓斜坡上升至17.5V的UVLO上升門(mén)限，從而產(chǎn)生一個(gè)大約16.25V的平均太陽(yáng)能電池板電壓。該充電器通過(guò)降低太陽(yáng)能電池板的工作電壓并在低照度期間執(zhí)行pWM操作，最大限度地提高了充電器轉(zhuǎn)換效率和太陽(yáng)能電池板輸出電源效率。
結(jié)論
LT3652電池充電器IC具有一個(gè)正待專(zhuān)利審議的輸入電壓調(diào)節(jié)電路，此電路用于將太陽(yáng)能電池板保持在其最大電源電壓VMp。雖然采用這種方法可使太陽(yáng)能電池板的電源輸出效率得以?xún)?yōu)化，但在低輸出電流條件下電池充電器的效率卻有所下降。利用一種簡(jiǎn)單的pWM充電方法（其實(shí)現(xiàn)僅需少量的外部元件），可以極大地改善LT3652太陽(yáng)能供電型電池充電器的效率，從而最大限度地提高充電器和太陽(yáng)能電池板的運(yùn)作效率。
