采用LT8611和AD5245的高效太阳能MPPT电池充电器

使用几瓦范围内的太阳能电池板的户外应用通常使用基于微控制器的MPPT（最大功率点跟踪）功能来提取整个环境工作条件下的最大可用功率。许多基于微控制器的MPPT解决方案设计用于20W至500W，消耗约20-100mW的功率，同时不断抖动太阳能电池板的工作电压，以仔细跟踪最大功率点。对于 20W 至 500W 的面板，这种经过验证的技术效果很好，因为与有效的 MPPT 算法收集的额外能量相比，MPPT 电路消耗的能量微不足道。

然而，对于使用1W面板的应用，太阳能电池板在冬季的大部分时间或大部分安装中可能只有100mW可用。像这样的应用将从太阳能电池充电器中受益匪浅，太阳能电池充电器在最大功率点下操作面板所需的静态电流要小得多。一个例子可能是太阳能传感器，它可以更频繁地报告，或者现在可以在不更换电池的情况下运行更长时间。另一个例子是商业太阳能照明，现在可以在更不利的照明条件下运行或减小面板尺寸。

LT8611 具有电流检测和 2.5μA 静态电流的 42V、2.5A 同步降压型稳压器可在极宽的充电电流范围内提供非常高效率的电源转换，这对于许多本质上是机会主义的太阳能供电电池充电器至关重要。LT8611 具有输出电压和输出电流调节环路，可用于在电池充电器中提供 CC 和 CV 功能。本文介绍了LT8611如何与AD5245数字电位计和外部微控制器配合使用，以设计微功耗太阳能MPPT电池充电器，该充电器可在从弱光条件到全日照的所有面板条件下保持高效率，充电电流高达2.5A。软件开发是实现此解决方案所必需的。假设读者希望开发或调整自己的MPPT算法以在外部微控制器上运行。

本文中使用的术语MPPT和MPPC之前已在以下文章中讨论过：

最大化太阳能电池板功率输出的技术

80V 降压-升压铅酸和锂电池充电控制器在太阳能应用中主动找到真正的最大功率点

MPPC（取决于巴蒂电压）

要开始讨论如何利用LT8611启用MPPT功能，让我们从LT8611数据手册中的4.1V/1A CCCV锂离子电池充电器示例电路开始：

图1.LT8611 CCCV 电池充电器

例如，考虑当一个Vmp为9V的光线充足的1W太阳能电池板连接到该电路和一个处于3.8V的锂离子电池时会发生什么。启用时，LT8611 将尝试将输出电压提升至 4.1V，最大电流为 1A。由于 1W 面板无法提供此功率电平，因此面板电压将被拖到面板的 Vmp 以下，略高于电池电压加上二极管 D1 的 VF。

该电路将增加输入电压调节，以便LT8611将降低电池充电电流并将太阳能电池板的工作电压维持在其最大功率点。作为第一步，考虑当我们从输入电压添加一个电阻分压器并将中点馈送到LT8611的TR/SS引脚时会发生什么，如下所示：

图2.LT8611 具有输入电压调节功能的 CCCV 电池充电器

LT8611 的输出误差放大器具有一个内部 970mV 基准，该电路的输出分压器比的尺寸使得当电池达到 4.1V 时，FB 引脚将达到 970mV。当电池电压为3.8V时，由于输出电压分压器，FB引脚上的电压将为900mV。LT8611 的跟踪功能的工作原理是，如果 TR/SS 引脚被驱动至低于 970mV，则 FB 引脚将被调节至一个等于 TR/SS 电压的电压。如果该输入电阻分压器比的尺寸使得当面板电压处于其最大功率点 9V 时 TR/SS 为 900mV，则 LT8611 跟踪功能将降低输出电压 （从而降低电池充电电流），以在电池处于 3.8V 时保持 9V 的输入电压。此时，电路具有与电池电压相关的输入调节或MPPC环路，这不是很有用。要使微控制器运行太阳能电池板MPPT扫描，它必须控制输入调节电压。

MPPT

输入电压的调整可以以类似于调节稳压器输出的方式实现。这通常是通过使用连接到误差放大器输入（在本例中为 TR/SS 引脚）的控制电压和串联电阻来实现的。控制电压也可以使用微控制器或DAC的滤波PWM输出来实现。PWM或DAC选项可以提供硬件简单性和最低成本，因为这些特性通常包含在许多微控制器中。

然而，这些功能在微控制器的最低功耗状态下通常不可用，通常消耗约1mW。如果1mW的功率损耗对应用不大，这可能是最合适的技术，因为PWM控制已被证明在该电路中工作得相当好。为了节省1mW的功率损耗并减少扫描太阳能电池板工作范围所需的时间，可以使用数字电位计。

这AD5245 256 位置 I2C 兼容数字电位器其VDD电源仅消耗几微安培，可用值高达100kΩ。如果我们将输入分压器中的顶部电阻调整为309kΩ，并在变阻器配置中使用AD5245以及底部分压器中的串联6.2kΩ电阻，则可以通过I将输入电压调节目标从4.5V调整为4.5V至40V。2C，同时消耗很少的额外功率（见下面的图3）。一旦AD5245被编程为以最大功率点运行面板，微控制器就可以进入低功耗休眠模式。除了微控制器的睡眠电流（通常低于 10μA）外，没有额外的电流消耗。

为了运行MPPT扫描，AD5245代码从高电阻步进到低电阻，以在低至4.5V的开路电压下工作面板，而LT8611的IMON输出由ADC监控以跟踪电池充电电流。产生最大电池充电电流的AD5245代码用作组合太阳能电池板和充电电路的最大工作点。一旦AD5245代码设置为在最大功率点工作面板，微控制器将进入低功耗状态。

让我们考虑一下 MPPT 扫描之间会发生什么，MPPT 扫描通常计划以 15 分钟的间隔运行一次。对于太阳辐照度相对较快的变化，例如通过云层覆盖，没有微控制器的参与。输入分压器和LT8611跟踪功能将继续以最大功率点运行面板，而电池充电电流将随太阳辐照度而变化。

所有电池都有一些小的内部阻抗，电池充电器和电池之间会有一些小阻抗。该组合阻抗通常小于 100mΩ，但由于电池充电电流的相应变化，在通过云层期间，LT8611 输出电压会略有变化。电池电压的这些变化反映在LT8611 FB引脚上。由于LT8611跟踪功能会将FB引脚调节到与TR/SS引脚相同的电压，因此太阳能电池板的工作电压将随着太阳辐照度而略有增加。这往往有利于MPP跟踪效果，因为太阳能电池板最大功率点电压随着太阳辐照度的增加而略有增加。

在较长时间内，电池将充电。如果不更新AD5245代码，电池电压的相应增加将增加太阳能电池板的调节电压。微处理器需要定期运行MPPT扫描，并相应地调整AD5245，以便在电池充电时保持最佳面板电压。

微控制器LT8611、AD5245和LTC4412的完整原理图如下：

图3.MCU 控制的 LT8611 MPPT 太阳能电池充电器

一个2.6V箝位用于保护LT8611 TR/SS引脚，该引脚具有4V ABS最大额定值，使AD5245游标引脚保持在由电池供电的VDD引脚下方。通过使用采用 ThinSOT 封装的 LTC4412 低损耗 PowerPath 控制器作为理想二极管控制器，可以消除图 2 中 D1 的 VF 压降。通过在 LT8611 的输出上使用 LTC4412，可在没有太阳能可用时将电池消耗降至最低。

这里特意省略了一些实现细节，以简化上述原理图，并使讨论相对较短。但是，对于某些应用程序，可能会有一些进一步的增强功能。例如，利用MCU将LT8611 SYNC引脚驱动为高电平或低电平，以便在MPPT扫描期间在整个输出电流范围内保持IMON输出处于活动状态，并在扫描完成后将其切换回以保持最高效率，这是很有帮助的。此外，该电路能够以非常低的功率水平操作面板。在非常低的功率水平下，在运行面板扫描时很难测量IMON输出中的峰值。在这种情况下，采用MPPT算法通常在MPPT扫描期间读取面板电压和IMON输出是最有益的。如果未找到IMON输出峰值，则MCU可以将AD5245代码设置为在开路面板电压的某个预定比率的电压下操作太阳能电池板的值。最后一种技术并不少见，在低功耗MPPT算法中非常有效。

结论

在功耗非常低的情况下，自执行 MPPT 扫描能量以来，增加 MPPT 扫描间隔是有益的。要确定MPPT扫描是否值得运行，不仅要了解实时充电电流，还要跟踪自上次扫描以来累积的电荷量，这可能会有所帮助。具有温度、电压测量功能的 LTC2942 电池电量计可用于通过 I 跟踪累积电荷2C并确定算法的有效性。它还使MCU能够动态平衡功耗和累积电荷。LTC®2942 是一款准确且功率非常低的气体表，在累积电荷时仅消耗 70uA 电流。LTC2942 还具有一种停机模式，该模式可在不使用时使用。对于较高的电池电压，可以使用具有温度、电压和电流测量功能的 LTC2943 多节电池电量计和具有温度、电压和电流测量功能的 LTC2944 60V 电池电量计。对于更高的充电电流，我们的 LT8613 具有电流检测和 3μA 静态电流的 LT8613 42V 同步降压型稳压器可在高达 6A 的电流下使用。

审核编辑：郭婷