多化学电池充电器支持太阳能电池板的最大功率点跟踪

LTC®4015 是一款通用型同步降压型充电器，能够支持多种电池化学成分，包括铅酸、锂离子和 LiFePO4.LTC4015 具有广泛的电池充电功能列表，包括库仑计数以及一系列电池和系统监视器功能。但是，本文重点介绍其输入控制环路，该环路支持太阳能电池板最大功率点跟踪（MPPT）功能。

对于尚未接触MPPT的一般概念或可以使用知识更新的读者，请访问“最大化太阳能电池板功率输出的技术”。无论您对MPPT的一般了解如何，要了解LTC4015的实现，了解LTC4015的多控制环路操作非常重要。

基本设备操作

LTC4015 利用一个驱动 MN2 和 MN3 的峰值电流模式同步降压型控制器为电池充电 （参见图 1）。控制器可以调节四个参数：输入电压（使用 UVCLFB 引脚）、输入电流（CLP 和 CLN）、电池充电电压 （BATSENS） 和电池充电电流（CSP 和 CSN）。峰值电感电流控制和电池充电电流调节均由检测电阻R实现国家统计局.除了这两个函数之外，R国家统计局允许 LTC4015 监视电池充电和放电电流、电池 ESR 和电池库仑计数。输入电压调节是MPPT操作的一个组成部分，将在下一节中详细讨论。

图1.简化的LTC4015应用拓扑（不一定针对太阳能电池板输入进行优化）。

LTC4015 采用一种理想的二极管或 PowerPath 架构，以将输入电源和电池无缝连接至系统负载。理想二极管 MN1 连接 V在到 V.SYS如果 V在大于 V光热发电（电池电压），而 MP1 将电池连接到 V.SYS如果 V光热发电大于 V在.除了从 V 为系统供电在，两个二极管控制器与充电器一起工作，从电池向系统提供电力，而无需反向驱动V在并保证即使 V 的电源不足或不存在，系统也能供电在.

当由于编程的输入电流限制（输入电流调节）或输入欠压限制（输入电压调节）处于活动状态而使开关充电器可用的功率有限时，充电电流会自动降低，以优先向系统负载供电。然而，需要注意的是，LTC4015 仅限制充电电流，而不限制从输入到系统负载的电流 — 如果单独系统负载在充电电流降至零后需要的功率大于输入的可用功率，则 V.SYS必须降至电池电压，以便电池提供补充电源。

这对于MPPT操作非常重要。LTC4015 有效地利用其操纵充电电流的能力来调节输入电流和输入电压。换句话说，如果输入电压降低到足以使UVCLFB引脚电压降至其DAC编程的伺服电压以下，则充电电流会降低，以试图保持该输入电压电平。同样，如果输入电流开始超过DAC编程的输入电流限值，则充电电流会降低，以试图维持该输入电流水平。但是，如果充电电流减小到零，则 LTC4015 将失去进一步影响输入电流或输入电压的能力。更详细地考虑LTC4015 MPPT操作，以了解这些问题为何重要。

MPPT操作

LTC4015 最大功率点跟踪算法执行周期性全局搜索以及连续的局部抖动，以确保为系统供电的太阳能电池板保持其峰值功率工作状态。全局搜索对于确保连续抖动算法不会卡在本地最大功率点是必要的。根据确切的面板结构，这可能会在部分遮阳条件下发生。

本地抖动和全局搜索均利用了称为 UVCL 或欠压电流限制的 LTC4015 输入电压调节功能。UVCL 控制环路通过自动降低充电电流 V 来防止电阻或电流受限输入电源过低（例如，低于欠压锁定、UVLO 阈值）在（使用 V 在 UVCLFB 引脚上观察在分压器）降至可编程电平（VIN_UVCL_SETTING）。

全局搜索步骤VIN_UVCL_ SET 通过其全部值范围，小心避免拉取 V在低于 UVLO 或 VIN_DUVLO，差分欠压锁定。如果输入电压降至电池电压的约100mV以内，则满足差分UVLO条件。在每VIN_UVCL_SETTING测量充电电流。扫描完成后，LTC4015 应用对应于最大测量电池充电电流的VIN_UVCL_SETTING值。

由于电池电压是低阻抗的，并且在整个扫描过程中相对稳定，因此最大电池充电电流与最大输出功率非常吻合。在全局搜索之后，通过缓慢（大约每秒一次）抖动VIN_UVCL_SETTING来跟踪最大功率的微小变化。LTC4015 周期性地（大约每 15 分钟一次）执行新的VIN_UVCL_SETTING值全局搜索，应用新的最大功率点，并在该点恢复抖动。图 2 显示了典型的 MPPT 全局搜索，然后是局部抖动。

图2.MPPT搜索算法。

抖动算法首先将VIN_UVCL_SETTING递增一步并测量新的充电电流。如果新的充电电流大于之前的测量值，则VIN_UVCL_ SET 继续大约每秒增加一次，直到充电电流减小或 SET 达到满量程VIN_UVCL_此时抖动方向反转。满量程对应于VUVCLFB= 1.2V，输入电压为36.5V，具有所需的UVCLFB MPPT电阻分压器值。在相反方向上，VIN_UVCL_SETTING大约每秒递减一次，直到充电电流减小或输入电压太接近UVLO阈值，此时抖动方向再次反转。

MPPT 特殊注意事项

虽然MPPT操作在大多数情况下相当简单，但也有少数情况超出了规范。在这些情况下，LTC4015 在基本算法之外逐步调整，以最大限度地延长面板在其真正最大功率点上花费的时间。

抖动期间充电电流的显著变化

当 LTC4015 采用抖动算法时，如果电池充电电流在单个抖动步骤中下降 1% 或更多，则抖动方向仅在 7ms 后反转，而不是正常的一秒。这样可以最大限度地延长在最高功率设置下花费的时间。同样，如果充电电流的步进变化超过 ±25%，则算法将重复全局搜索，而无需等待标准的 15 分钟。最大全局搜索重复速率为每五分钟一次。

输入电流限制设置

如上所述，LTC4015 在 MPPT 算法期间监视输入电压，以确保其不会低于 UVLO 门限之一。持续监控下的另一个标准是 LTC4015 是否实际上处于使用 UVCL 调节状态，采用数字遥测系统的 vin_uvcl_active 位。请记住，可以调节四个参数：输入电压（VIN_UVCL_SETTING），输入电流（IIN_LIMIT_SETTING），充电电压（VCHARGE_SETTING）和充电电流（ICHARGE_TARGET）。对于MPPT应用，建议将输入电流限值（IIN_LIMIT_SETTING）设置为大于或等于太阳能电池板的最大短路电流能力。这可确保输入电流调节不会干扰MPPT操作。但是，另外两个调节环路可以控制：充电电压和充电电流。

可用电流足够

在全局搜索或抖动阶段，如果充电电压或充电电流调节需要的电流小于欠压电流限制UVCL，则意味着太阳能电池板可以满足该特定VIN_UVCL_SETTING的正常充电条件。此时，抖动方向反转或全局搜索停止。在全局搜索期间，导致退出UVCL调节环路的VIN_UVCL_SETTING可能对应于最大充电电流。如果由于某种异常原因没有，则 LTC4015 将斜坡回到对应于最大充电电流的VIN_UVCL_SETTING。

低可用功率

另一种特殊情况是，通过完成的全局搜索测量的最大充电电流低于满量程的约5%，其中满量程对应于R两端的32mV。国家统计局（例如，4A 充电器为 200mA）。在这种情况下，LTC4015 返回到全局搜索期间找到的VIN_UVCL_SETTING，但不尝试抖动。在此充电电流水平下，单个ADC读数中的噪声变得很大，抖动可能导致不稳定的工作。

甚至更低可用功率

如果通过完成的全局搜索测量的最大充电电流甚至更低，则小于满量程的约1%（例如，4A充电器为40mA，R两端仅为320μV）。国家统计局），那么 LTC4015 几乎失去了控制太阳能电池板功率的能力。尽管如此，还是进行了最后一次尝试，以最大限度地提高面板输出功率。LTC4015 恢复到一个VIN_UVCL_SETTING，该对应于 SET 处于全标度时测量VIN_UVCL_太阳能电池板开路电压的 70%。由于太阳能电池板通常以开路电压的70%-80%的电压产生最大功率，并且在较低的电池板电压下缓慢地滚落，因此这是以最少的可用信息最大化功率的最佳尝试。

二极管OR拓扑的潜在问题

根据具体的应用条件，二极管OR拓扑（见图1）可能会导致太阳能电池板功率的次优利用。考虑图 3 所示的简化型 LTC4015 PowerPath 架构。

图3.LTC4015 电源路径架构。

如果系统负载增加超过太阳能电池板的电流能力，则两个理想的二极管控制器都将打开，MN1和MP1导通以支持增加的负载。太阳能电池板输出电压塌陷到系统负载电压，系统负载电压崩溃到电池电压。

在太阳能电池板电压等于电池电压的情况下工作不太可能产生最大功率，但在大多数应用中，这不应该是一个严重的问题。

太阳能电池板的尺寸应使其平均功率容量大于平均负载功率。如果不满足此条件，则电池将无法充电。因此，图 3 中描述的场景不应是典型的。

此外，任何与 LTC4015 配对的太阳能电池板都必须具有一个小于 40V 的开路电压，以避免违反 LTC4015 的绝对最大额定值。许多满足此要求的商用面板的最大电源电压约为17V。为 12V 铅酸电池、3S 锂离子电池组 （~11.7V） 或 4S 锂离子电池或 LiFePO 充电时4堆栈（分别为~15.6V和14V），面板可能仍会在其最大功率的75%或80%以上工作。换句话说，即使面板的最大功率电压与电池电压之间的差异相对较小，性能也不会受到显着影响。对于最大电源电压不是 17V 的面板，相同的逻辑适用。如果最大电源电压相对接近典型电池电压，则系统负载超过面板电流的短暂时间段不会显著影响性能。但是，如果这种情况仍然是一个问题，则有一个解决方案。

电池供电拓扑

为了确保 LTC4015 能够始终保持对太阳能电池板电源的完全控制，有必要针对系统负载移动连接。有关此拓扑的简化原理图，请参见图4，该拓扑可称为电池供电拓扑。这种配置强制负载与电池共享编程充电电流。换句话说，系统负载电流直接从编程充电电流中减去并降低电池电流。如果系统负载超过编程的充电电流，则电池只需提供所需的额外电流。

图4.简化的 LTC4015 电池供电拓扑。

这种拓扑的优点在于，LTC4015 最大限度地发挥了电池电流和系统负载电流的组合。换言之，LTC4015 使总输出功率最大化。由于输入 PowerPath 仅向开关稳压器馈送电流，因此 LTC4015 能够完全控制输入电流。由于 LTC4015 输出在这种配置中为电池充电并为负载供电，因此它可以将输出功率减小至零。在这种情况下，负载仍由电池支撑。

然而，电池供电拓扑确实需要权衡取舍，即：

LTC4015 的库仑计数器功能受到严重损害，因为 LTC4015 无法区分电池电流和系统负载电流。无法区分两种电流会产生其他后果。编程充电电流不再是固定的电池充电电流。相反，电池充电电流随系统负载而变化。充电时，数字遥测系统将能够监控和报告系统负载电流和电池电流的总和，但在“仅电池”操作（无输入电源）中不提供电流读数。

这种电池供电拓扑也会影响端接算法，尤其是基于电流的C/x端接。LTC4015 充电算法不是在电池电流低于一个编程门限时终止，而是在负载电流和电池电流之组合降至该门限以下时终止。如果充电周期终止，则所有系统负载电流将从电池中汲取，直到充电周期开始。

最后，理想的二极管或PowerPath拓扑（图1）在输入电压可用时立即为系统供电，即使电池严重放电也是如此。在图4的电池供电拓扑中，输入电源需要将电池充电至大于最小系统电压的电压，然后系统才能工作。

最后一个缺点的必然结果是电池必须能够始终提供满载电流。由于MPPT算法和电池串联电阻（BSR）算法将暂时和周期性地禁用开关稳压器，因此电池必须能够在这些时间内提供完整的系统负载。这在为锂离子化学品充电时尤其重要。LTC4015 锂离子电池充电算法包括一个预充电阶段。如果系统负载可以将电池放电到预充电阈值以下，并且相同的负载超过预充电电流，则即使存在输入电源，电池也可能耗尽。这可能会永久损坏电池。

由于这些缺点，在决定标准二极管OR拓扑和电池供电拓扑时应仔细考虑。

MPPT 和低输入功率

尽管 LTC4015 具有精心设计的 MPPT 算法 （包括上述特殊极端情况） 和在不同拓扑结构下工作的能力，但有一种情况是，无论拓扑结构如何，LTC4015 都无法最大化太阳能电池板输出。

LTC4015 电池充电器功能需要极小的电流才能工作，具体时间取决于各种应用 （开关 MOSFET 选择、补偿等）如果太阳能电池板提供的最大输入电流高于2mA至3mA，但低于操作充电器所需的最小电平（大约在5mA至20mA的范围内），则电池实际上可能会被充电器略微放电。

在这些条件下，例如，光线非常昏暗但并非完全黑暗的太阳能电池板，最坏情况下的电池漏电流通常小于10mA。只要可用输入电流保持在所述范围内，这种情况就会持续存在。如果可用输入电流下降，则电池放电将恢复到接近正常的纯电池模式水平——有关详细信息，请参阅数据手册。

对于典型的太阳能电池板应用，这种情况通常是短暂且不常见的，不需要缓解。例如，日出前和日落后的短时间内可能会导致一些额外的电池消耗。然而，如数据手册中所述，如果这种情况是一个问题，可以通过在电池充电电流低于满量程的1%（IBAT ≤ 218）时禁用充电器（设置suspend_charger = 1）并通过定期写入suspend_charger = 0（例如，每60秒）重试来缓解这种情况。（可选）可以将此重试限制为仅在 V 时发生在高于已知阈值。

结论

LTC4015 可用作电池供电型应用的电源管理主干，并且特别擅长于在太阳能电池板作为输入电源时为电池充电和支持负载。其集成的理想二极管OR控制器以及测量和调节输入电流、电池电流、输入电压和输出电压的能力，使其能够保持太阳能电池板输入电源的高电池充电性能和最大功率点跟踪。

审核编辑：郭婷