鉅大LARGE | 點擊量：1316次 | 2019年11月08日
太陽能電池充電器可在低光照環(huán)境中保持高效率
任何太陽能電池板的一個重要特性是其可在一個相對恒定的工作電壓（VMp）下實現峰值功率輸出，這與照明水平無關（見圖1）。LT36522A電池充電器充分利用了這一特性，以通過實施輸入電壓調節(jié)來把太陽能電池板保持于峰值工作效率（正待專利審議）。當可用的太陽能功率不足以滿足一個LT3652電池充電器的功率要求時，輸入電壓調節(jié)電路將減小電池充電電流。這將降低太陽能電池板上的負載以把太陽能電池板電壓維持在VMp，從而最大限度地增加太陽能電池板的輸出功率。這種實現峰值太陽能電池板效率的方法被稱為最大功率點控制（MppC）。圖1：太陽能電池板可在一個特定的輸出電壓（VMp）下產生最大的功率，這相對地獨立于照明水平。LT36522A電池充電器通過把太陽能電池板輸入電壓調節(jié)在VMp以最大限度地增加太陽能電池板的輸出功率。
圖2：17VVMp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)”（VMp=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）時被拉至低電平。當充電電流被輸入調節(jié)環(huán)路減小至200mA水平以下時，/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構成的電阻分壓器）。UVLO功能采用該分壓器進行設置，以擁有一個18V的下降門限和一個20V的上升門限。下降門限是一個關鍵性的設計參數值，而且必須被設置為一個高于輸入調節(jié)電壓、并且比上升門限低10%的電壓（這是LT3652停機門限遲滯決定的）。
圖5：pWM操作期間的VIN波形（對于圖2中的電路）
圖6：17VVMp太陽能電池板至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)化太陽能電池板的效率，但當功率級別很低時電池充電器的電源轉換效率將變差，從而導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用一種簡單的pWM充電方法（其在功率級別很低時強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)引腳負責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）時被拉至低電平，并在輸出電流低于C/10時呈高阻抗狀態(tài)。
在低照度期間，輸入調節(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)一個輸入欠壓閉鎖（UVLO）電路（其下降門限位于一個高于輸入調節(jié)電壓VIN(REG)的太陽能電池板電壓）來停用IC。作為針對充電器停用的響應，太陽能電池板電壓將在UVLO遲滯范圍內爬升，直至達到UVLO上升門限為止，此時以滿功率重新使能充電器。充電器隨后將提供充電電流，直到輸入電壓調節(jié)環(huán)路再次停用充電器為止。該循環(huán)不斷地重復，從而產生一個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17V輸入調節(jié)電壓（針對“12V系統(tǒng)”太陽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來設置。把一個典型12V系統(tǒng)太陽能電池板的工作電壓保持在其17V額定VMp電壓可產生接近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來實現。如圖4所示，增設pWM電路可顯著在電池充電電流低于200mA時提高效率。
在低照度條件下，當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，LT3652的輸入電壓調節(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。當輸入調節(jié)環(huán)路運行時，VIN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應于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VIN處于17V（這低于UVLO下降門限），因此LT3652停機，從而停用所有的電池充電功能電路。當電池充電器停用時，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VIN上的電壓增加，直至達到20V的UVLO上升門限為止，從而重新使能LT3652。由于電池充電器在VIN遠遠高于17V輸入調節(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。作為針對高電池充電電流水平的響應，/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VIN降低至17V為止，此時利用輸入調節(jié)來減小電池充電電流以維持該電壓。當充電電流再次減小至200mA時，/CHRG引腳變至高阻抗，UVLO電路被重新啟用，停用/使能循環(huán)重復進行，從而產生一串充電電流“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應的電池充電電流。
圖5示出了圖2中電路的pWM操作。當LT3652停用時，VIN上的電壓從17V的輸入調節(jié)門限斜坡上升至20V的停機門限。LT3652/CHRG引腳上的電壓在充電器使能時為低電平，而在充電器停用時則為高電平。當充電器停用時，太陽能電池板的能量被存儲在輸入電容器中，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應于pWM操作期間太陽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計。
該鉛酸電池充電器執(zhí)行一種三級鉛酸電池充電模式，其采用了2A大電流充電模式充電、吸收模式充電（至14.4V）和浮動充電維護（在13.5V）。這款電池充電器在以恒定電流/恒定電壓（CC/CV）特性進行充電時可提供最高2A，充電至高達14.4V的吸收模式調節(jié)電壓，前提是太陽能電池板可提供足夠的輸入功率。當電池接近14.4V的調節(jié)電壓時，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］）時完成吸收模式充電。
當吸收模式充電完成時，作為達到C/10充電電流門限的響應，/CHRG引腳變至高阻抗，而且浮動模式維護充電操作開始。在浮動模式中調節(jié)電壓從14.4V降至13.5V，這通過有效地將R9從VFB求和節(jié)點移除來實現──當/CHRG由R8拉至高電平時，其利用一個二極管“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)行浮動模式充電調節(jié)。假如充電電流減小至200mA以下（通過輸入調節(jié)）且pWM操作開始，那么/CHRG引腳電壓將變?yōu)橐粋€脈沖波形。D5和C5實現了一個峰值檢波濾波器，其負責在D4上維持一個連續(xù)的反向偏置，從而在pWM操作期間將充電器保持于浮動模式（VCHARGE=13.5V）。如圖7所示，增設pWM電路可顯著地提高電池充電電流低于200mA時的效率水平。
如前文針對圖2中電池充電器所述，在pWM操作期間，輸入電壓從17V的輸入調節(jié)門限斜坡上升至IC停用周期中的20V停機門限。太陽能電池板的輸出功率對應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，但在低于200mA的電流下則高于此范圍。為了在低光照運作時間較長的應用中同時實現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)周期中應降低VIN(REG)和UVLO電壓。下面將說明一種實現此目的的方法。
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時也降低了輸入調節(jié)電壓（VIN(REG)）。這可通過跟蹤低電流時太陽能電池板的典型VMp下降來改善太陽能電池板的效率。
低電流VMp跟蹤通過給由R4和R5組成的輸入調節(jié)分壓器增添R10來實現。R10通過一個二極管“或”電路（D6和D7）連接至輸入調節(jié)求和節(jié)點。當/CHRG引腳電壓為高電平時，利用加有反向偏置的D7有效地將R10從求和節(jié)點移除，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致充電器遭遇輸入功率不足的情況，將通過輸入調節(jié)環(huán)路減小充電電流以維持17V的VMp太陽能電池板電壓。倘若充電電流減小至200mA以下，則充電器開始執(zhí)行pWM操作且調節(jié)門限降低以執(zhí)行浮動充電，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能電池板VMp的下降。
與前文描述的D5和C5相似，D6和C6實現了一個峰值檢波濾波器。該濾波器在D7上維持一個連續(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節(jié)電壓保持在15V。pWM控制組件（M1和R6~R8）實現了16V（下降）和17.5V（上升）的UVLO門限。在pWM操作期間，VIN條件下的太陽能電池板電壓從15V的輸入調節(jié)電壓斜坡上升至17.5V的UVLO上升門限，從而產生一個大約16.25V的平均太陽能電池板電壓。該充電器通過降低太陽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換效率和太陽能電池板輸出電源效率。
結論
LT3652電池充電器IC具有一個正待專利審議的輸入電壓調節(jié)電路，此電路用于將太陽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能電池板的電源輸出效率得以優(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。利用一種簡單的pWM充電方法（其實現僅需少量的外部元件），可以極大地改善LT3652太陽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能電池板的運作效率。
