LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2同步降压电池充电器的深度解析

在电子设备的设计中，电池充电器是一个关键的组成部分。今天我们要深入探讨的是LINEAR TECHNOLOGY（现属Analog Devices）的LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2 400mA同步降压电池充电器，以及与之配套的DC1977A演示板。

文件下载：DC1977A-B.pdf

一、产品概述

DC1977A演示板展示了LTC4121 - 4.2和LTC4121这两款40V、400mA同步降压电池充电器集成电路的特性。该演示板支持LTC4121EUD的最大功率点跟踪（MPPT）功能，可优化来自光伏电池或高电阻电源的功率传输。

LTC4121和LTC4121 - 4.2具备恒流 - 恒压充电能力，适用于锂离子或铅酸电池。其中，LTC4121 - 4.2专门用于为单节锂离子电池充电，电池电压为4.2V；而LTC4121则可以通过电阻分压器编程，为最高18V的电池电压充电。

二、性能参数

在环境温度 (T_{A}=25^{circ} C) 的条件下，DC1977A的主要性能参数如下：	SYMBOL	PARAMETER	CONDITIONS Note: Reference designators refer to Schematic on p. 7.	MIN	TYP	MAX	UNITS
IN	DC1977A Input Voltage	I(IN) < 800mA	4.4		40	V
PV IN	DC1977A PV Cell Input	I(IN) < 800mA	5		40.5	V
V(BAT)	DC1977A BAT Pin Voltage	R11 = 1.40MΩ, R12 = 1.05MΩ	2.5		4.25	V
I(BAT)	DC1977A BAT Pin Current	V(BAT) = 3.7V; DC1977A; (R7) = 3.01kΩ; JP1 (“MPPT”) = ‘OFF’	383	402	421	mA

这些参数为我们在实际应用中选择合适的电源和电池提供了重要依据。

三、演示板应用测试

3.1 测试设备设置

参考图1进行测量设备的设置和跳线设置，所有设备的连接应采用开尔文连接方式直接连接到电路板引脚，输入或输出引线应采用双绞线。

3.2 测试步骤

1. 将JP1（“MPPT”）设置为‘ON’，将PS1设置为3.6V并开启。
2. 将PS2连接到点A，设置为15V并开启。
3. 验证VM1显示3.3V至3.9V，AM1显示387mA至417mA，VM2显示14.5V至15.1V。此时，LTC4121的 (PV+) 和 (V{IN }) 引脚之间只有一个串联二极管，其作用是防止光伏电池反向馈电。由于单个二极管的 (V{f}) 不足以激活MPPT功能，LTC4121会向电池提供全充电电流。
4. 关闭PS2，将连接移至点B，然后开启PS2。
5. 再次验证VM1显示3.3V至3.9V，AM1显示387mA至417mA，VM2显示12.6V至13.2V。此时电源的源阻抗约为 (16 Omega) ，但该阻抗仍允许在不启用MPPT功能的情况下提供全充电电流。
6. 关闭PS2，将连接移至点C，然后开启PS2。
7. 验证VM1显示3.3V至3.9V，AM1显示105mA至115mA，VM2显示10.6V至11.3V。此时电源的源阻抗为98Ω，MPPT功能已启用，为了使 (V_{IN }) 保持在编程的MPPT点，输送到电池的充电电流已减少。
8. 将JP1（“MPPT”）设置为‘OFF’，测试结束。

四、工作原理

4.1 LTC4121EUD使能

LTC4121可以通过RUN引脚进行启用或禁用，这一功能可以通过JP2（RUN跳线）来实现。当JP2处于“ENABLE”位置时，R3和R4确保只有当 (V_{in}) 大于4.4V时，LTC4121才会被启用。需要注意的是，不要让LTC4121的RUN引脚浮空，应将JP2设置为DISABLED或ENABLED位置。

4.2 降压充电器

LTC4121EUD的核心是降压拓扑电池充电器，它是一个采用N沟道FET的同步电流模式控制调节器。N沟道FET的使用可以最小化传导损耗，并且只需要一个外部0.022µF电容来产生高端栅极驱动。

LTC4121EUD可以为最多四个串联的锂离子电池充电，支持的最大电池电压为18V。而LTC4121EUD - 4.2则专门优化用于将单节锂离子电池充电至固定的4.2V电池电压。

降压电感中的电流通过一个小的片上电阻进行电流测量，然后回到BAT引脚。电池连接到BAT引脚，这样LTC4121EUD不仅可以测量逐周期电流，还可以测量平均电流。逐周期电流用于电流模式降压调节器，而平均电流则是由 (R{PROG}) 编程的电池充电电流。在DC1977A上， (R{PROG }=3.01 k Omega) ，因此在MPPT功能不降低电流的情况下， (I(BAT)=402 ~mA) 。

当电池处于恒流充电区域时，降压调节器作为电流源工作；当电池处于恒压充电区域时，它作为经典的电压输出降压调节器工作。电池充电电流通过公式 (R{PROG }=h{PROG } cdot frac{V{PROG }}{I{CHG }}=986 cdot frac{1.227 V}{0.4}=3.01 k Omega) 进行编程。

LTC4121EUD还提供了一个开关频率选择引脚FREQ，可在750kHz和1.5MHz之间进行选择，这一功能通过JP4（“FREQ”跳线）来实现。同样需要注意的是，不要让LTC4121的FREQ引脚浮空，应将JP3设置为750kHz或1.5MHz位置。

4.3 最大功率点跟踪（MPPT）

LTC4121EUD为光伏电池或高电阻电源提供了最大功率点跟踪（MPPT）功能。MPPT引脚允许将MPPT点编程为开路 (V{IN }(V{OC })) 的百分比。演示板通过JP1（“MPPT”跳线）和R1、R2来实现这一功能。

需要注意的是，MPPT的禁用位置是MPPT引脚连接到 (V{IN }) 。要启用MPPT，需要将MPPT点设置为 (V{OC}) 的一个分数。当MPPT启用时（不等于 (V{IN }) ），LTC4121EUD会定期将负载与电源断开，并测量无负载时的 (V{IN}=V{OC}) 。然后，它会增加 (V{IN }) 上的负载以满足充电器的需求，直到达到 (V{MPPT}) 阈值，之后不再增加负载。这样，MPPT分压器就可以将所需的MPPT点设置为无负载时 (V{IN}) 的百分比。

4.4 电池电容

LTC4121EUD的最大电池电压为18V，LTC4121EUD - 4.2的最大电池电压为4.2V。如果没有电池，Analog Devices建议在BAT引脚上使用47µF的电容。对于LTC4121EUD，电容的电压额定值需要为25V，因此使用两个22µF、25V的MLCC电容；对于LTC4121EUD - 4.2，一个6.3V的电容就足够了，使用一个47µF、6.3V的MLCC电容作为C1，C2不安装。

4.5 反向阻断电路

组件Q1、R16和C6构成了一个反向阻断电路，该电路具有两个功能。首先，当电源休眠时（例如，太阳能电池在没有光照的情况下），该电路可以防止电池反向充电电源。其次，当充电电池在没有输入电压的情况下连接到电路时，电流会从电池流入BAT引脚并从IN引脚流出，为C4充电。当电池电压超过约10V时，这种电流浪涌可能会损坏设备。不过，如果只使用一两个串联的锂离子电池，这通常不是问题。因此，根据应用的不同，这个反向阻断电路可能不是必需的。如果不需要反向阻断功能，C6和R16也可以省略。

五、元件清单

文档中提供了DC1977A的详细元件清单，包括所需的电路组件、额外的演示板电路组件以及硬件部分。这些元件的具体型号和参数为我们进行电路板设计和组装提供了详细的参考。

六、总结

LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2同步降压电池充电器具有高效、宽输入电压范围和最大功率点跟踪等优点，适用于各种需要电池充电的应用场景。通过对DC1977A演示板的测试和对其工作原理的深入理解，我们可以更好地利用这些特性进行电子设备的设计。

在实际应用中，我们需要根据具体的需求选择合适的充电器型号，并合理设置跳线和参数。同时，要注意电池电容和反向阻断电路的使用，以确保充电器的安全和稳定运行。

大家在使用LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2充电器的过程中，有没有遇到过什么问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。