AN-2121 SolarMagic™ SM3320-BATT-EV 充电控制器参考设计解析

在太阳能光伏应用领域，高效的充电控制器对于实现电池的有效充电和能量的最大化利用至关重要。本文将详细解析德州仪器（Texas Instruments）的 AN-2121 SolarMagic™ SM3320-BATT-EV 充电控制器参考设计，为电子工程师们提供全面的技术参考。

文件下载：SM3320-BATT-EV/NOPB.pdf

一、充电配置文件

铅酸电池充电曲线

参考设计中采用的铅酸电池充电曲线如图 1 所示。当电池电压非常低时，会施加并限制缓慢的充电电流，直到电压上升到预设阈值 Vt 以上，然后再施加全充电电流。当检测到电池电压达到满充状态时，系统会切换到浮充模式，将电池电压保持在固定阈值。在任何时候，如果可用功率低于实现电压或电流调节所需的功率，系统将运行在最大功率点跟踪（MPPT）模式。

设计特性

• 适用电池：12V 铅酸电池
• 输入电压范围：Vin 范围为 15V 至 45V Vmp（50V Voc）
• 最大输入电流：Isc = 11A
• MPPT 算法：采用优化的 MPPT 算法，适用于光伏应用
• 充电电流：最高可达 9A
• 保护功能：具备反向电流保护
• 充电模式：支持涓流充电和快速充电模式
• 转换效率：转换器效率高达 98%
• 电压设置：最大充电电压为 14.2V，浮充电压为 13.5V，输出电压设定点可重新编程

二、快速设置步骤

1. 验证电池电压：确认铅酸电池电压低于 12V 且高于 10V。
2. 连接电池：将电池连接到输出端子，如图 2 所示。
3. 连接太阳能板：将太阳能板或太阳能阵列模拟器连接到输入端子，如图 2 所示。
4. 验证充电电流：确认电池充电电流可达 9A（平均略低于 9A）。
5. 检查输入电压：如果电池电流较低，验证输入是否在面板制造商指定的最大功率点电压下运行。
6. 验证充电曲线：确认充电曲线符合图 1 所示的曲线。

三、关键电路模块

10V 电源

图 3 所示的电路将提供一个 10V 电源轨，用于正确偏置 SM72295 栅极驱动器。该系统可以配置为与最高 100V（适当选择组件尺寸）和最低 12V Vmp 的太阳能板一起工作。

DC/DC 转换器

DC/DC 转换器级是一个升降压四开关转换器，如图 4 所示。该级将功率从光伏面板传输到负载。在系统原理图（图 20）中，C18、R11 和 D15 形成一个缓冲器，用于减少转换器“降压”侧开关节点上的纹波；C19、R14 和 D14 形成一个缓冲电路，用于减少转换器“升压”侧开关节点上的纹波。

当电路在降压模式下运行时，升压开关节点将以较低频率发出小脉冲，以便对 Q2 的自举电容进行充电；同样，在升压模式下，降压开关节点将脉冲以对 Q1 的自举电容进行充电。

可编程模式/增益设置

输出电压感测的分压器设置为确保输出电压的高分辨率，同时为 SM72442 和微控制器提供安全电压（<5V）。本参考设计中的默认电阻设置将满量程设置为 30V。SM72442 的可编程模式包括 VADC2 = 5V、VADC6 = 5V、VADC0 = 0V、VADC4 = 5V 等。

电流感测增益和偏移

电流感测电路的增益取决于应用。在本系统中，增益设置为 0.44V/A，通过 SM72295 的 IOUT（12）和 IIN（3）引脚输出的下拉电阻进行设置。

启动电路

如果面板电压低于电池电压，则需要一个启动电路（图 9）来强制占空比足够高，以产生流向电池的电流。一旦电流建立，电路可以关闭以允许 MPPT 操作。启动电路激活时，占空比每 1ms 增加一次，直至达到最大值，但仍受 SM72442 内部输出电压限制器的限制。

输出 FET 禁用

Q9 防止顶部输出 FET Q2 导通，功率将通过并联二极管 D7 流动，从而防止电池向光伏面板放电。Q2 可以使用微控制器或连接到输出电流感测的比较器（U12A）进行禁用，默认阈值设置为 1A。

输出电流调节

电流调节由比较器（U11A）执行。电流设置可以通过微控制器设置的位从低电流限制切换到高电流限制。在本设计中，高电流限制设置为 9A，低电流限制设置为 0.5A。

电压调节

SM72442 的电压调节在内部执行。初始输出电压设置通过引脚 A0（0 - 5V）进行设置，然后可以通过 I2C 通信接口将寄存器 0x03 的位 20:29 设置为所需的电压设定点，并将位 46 设置为 1 来更改输出电压设定点。

四、MPPT 功能

SM72442 芯片将使用扰动观察算法实现 MPPT 功能。MPPT 算法将从太阳能板中提取最大功率，并将其输送到电池，而不受面板特性的影响。图 14 和图 15 显示了 MPPT 算法在保持面板恒定功率的情况下，对面板电压的影响，无论电池上的电压如何。

五、微控制器功能

正常操作

当前设计中使用 PIC16F722 微控制器实现充电曲线。图 16 详细展示了微控制器实现所需充电模式的操作流程图。可以根据需要对该流程图进行修改和编程，例如根据温度修改阈值、设置定时器以在切换到浮充之前保持高电压阈值一段时间以最大化电池存储的能量、在浮充期间进行脉冲充电等。

启动操作

在启动时，微控制器需要评估光伏和电池电压，以验证正确的连接和值。如果值在指定范围内，微控制器通过释放 SM72442 芯片的 RESET 线来启用充电。如果需要，通过将 RB5 设置为‘1’（5V）来打开启动电路。一旦电池中有电流流动，启动电路可以释放。

安全功能

微控制器默认编程为，如果输出电压高于 14.5V 或低于 8V，则停止对电池充电。

六、微控制器程序代码

主要功能函数

• check_lead_acid()：通过微控制器的 A/D 转换器感测电池电压，返回一个 8 位数字，用于表示电池的状态。
• Main()：调用“Init()”函数初始化变量和寄存器，然后进入一个无限循环，通过 I2C 从 SM72442 恢复感测到的电压和电流值，并根据“check_lead_acid()”函数返回的值修改系统的行为。
• get_i2c_data：读取 SM72442 的 AIIN(19)、AVIN(15)、AIOUT(21) 和 AVOUT(17) 引脚的采样电压，通过 I2C 通道获取数据，并更新全局变量“outval”。
• send_i2c_command(char number)：发送 I2C 通信字符串，主要用于更改 SM72442 中的电压限制设置。
• Set_Voutmax()：读取主函数中设置的“voutmax”变量，并向 SM72442 发送适当的 I2C 命令以调节该电压。
• Check_low_current()：由“Main”函数调用，控制启动电路，在电流接近 0 时强制提高转换器的占空比。

七、锂电池充电配置

虽然该评估板专为铅酸电池充电而设计，但可以通过硬件和软件的组合更改来适应锂电池充电。具体步骤包括更改电压感测电阻和过压保护（OVP）电阻的值、在微控制器中编程适当的电压设定点和充电曲线、设置适当的电流限制、更改软件以遵循锂电池充电控制曲线，并在电池达到满电压且电流降至 500mA 以下时切断充电。

八、物料清单

文档提供了详细的物料清单，包括微控制器、电容、二极管、电阻、电感等各种组件的型号、制造商、数量等信息，为工程师进行实际设计和采购提供了便利。

九、充电控制器系统原理图

文档还提供了充电控制器系统原理图的两部分（图 20 和图 21），帮助工程师更直观地了解整个系统的电路结构和连接方式。

综上所述，AN-2121 SolarMagic™ SM3320-BATT-EV 充电控制器参考设计为电子工程师提供了一个全面的解决方案，涵盖了充电曲线、电路模块、MPPT 功能、微控制器编程等多个方面。通过对该设计的深入理解和应用，工程师们可以开发出高效、可靠的太阳能充电系统。你在实际设计中是否遇到过类似的充电控制器设计问题呢？你又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。