化學(xué)電池充電器用于太陽能電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤

LTC4015 是一款通用的同步降壓型，可支持包括鉛酸、鋰離子和磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 在內(nèi)的多種化學(xué)電池。LTC4015 擁有大量的電池充電功能，包括庫侖計(jì)數(shù)以及多種電池和系統(tǒng)監(jiān)視能力。不過，本文將著重闡述其可實(shí)現(xiàn)太陽能電池板最大跟蹤 (MPPT) 功能的輸入控制環(huán)路。

對于那些尚未接觸過 MPPT 基本概念、或可以使用知識更新的讀者，請登錄 www.linear.com.cn/solutions/4545。不管您具備多少 MPPT 常識，要理解 LTC4015 的實(shí)現(xiàn)方案，就必需弄懂 LTC4015 的多控制環(huán)路工作原理，這一點(diǎn)是很重要。

　器件的基本工作原理

LTC4015 采用一個(gè)驅(qū)動(dòng) MN2 和 MN3 的峰值電流模式同步降壓型控制器給電池充電 (見圖 1)。該控制器能調(diào)節(jié) 4 個(gè)參數(shù)：輸入電壓 (采用 UVCLFB 引腳)、輸入電流 (CLP 和 CLN)、電池充電電壓 (BATSENS) 和電池充電電流 (CSP 和 CSN)。峰值電感器電流控制和電池充電電流調(diào)節(jié)均利用檢測電阻器 RSNSB 完成。除了這兩種功能之外，RSNSB 還使 LTC4015 能監(jiān)視電池充電和放電電流、電池 ESR 和電池庫侖計(jì)數(shù)。輸入電壓調(diào)節(jié)是 MPPT 工作原理的一個(gè)主要部分，將在下一節(jié)詳細(xì)討論。

LTC4015 采用一種理想二極管“合路”PowerPath 架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)輸入電源和電池至系統(tǒng)負(fù)載的無縫連接。如果 VIN > VCSP (電池電壓)，則理想二極管 MN1 把 VIN 連接至 VSYS，而假如 VCSP > VIN，則 MP1 把電池連接至 VSYS。除了從 VIN 給系統(tǒng)供電之外，兩個(gè)二極管控制器還和充電器一起工作，以從電池給系統(tǒng)供電 (沒有反向驅(qū)動(dòng) VIN)，并保證可向系統(tǒng)提供電能，即使在來自 VIN 的功率不足或缺失的情況下也不例外。

當(dāng)可提供給開關(guān)充電器的功率由于編程輸入電流限制 (輸入電流調(diào)節(jié)) 或輸入欠壓限制 (輸入電壓調(diào)節(jié)) 電路運(yùn)行而受限時(shí)，充電電流將自動(dòng)減小以確定系統(tǒng)負(fù)載的供電優(yōu)先級。然而，重要的是應(yīng)注意到，LTC4015 僅限制充電電流，但是并不限制從輸入傳遞至系統(tǒng)負(fù)載的電流 – 如果在充電電流減小至零之后，單是系統(tǒng)負(fù)載所需的功率就超過了輸入可提供的水平，則 VSYS 必須降至電池電壓，以便由電池提供補(bǔ)充功率。

圖 1：簡化的 LTC4015 應(yīng)用電路拓?fù)?(不一定專為太陽能電池板輸入進(jìn)行了優(yōu)化)

這一點(diǎn)對于 MPPT 運(yùn)作是很重要。LTC4015 有效地運(yùn)用了其操控充電電流以調(diào)節(jié)輸入電流和輸入電壓的能力。換句話說，如果輸入電壓的降幅足夠大以至于 UVCLFB 引腳電壓降至低于其 DAC 設(shè)定的伺服電壓，則減小充電電流以試圖保持該輸入電壓電平。同樣，倘若輸入電流開始超過 DAC 設(shè)定的輸入電流限值，則減小充電電流以期維持該輸入電流水平。然而，假如充電電流減小至零，那么 LTC4015 將失去其進(jìn)一步影響輸入電流或輸入電壓的能力。需要更詳細(xì)地研究 LTC4015 MPPT 的工作原理，以了解這些問題至關(guān)緊要的原因。

MPPT 工作原理

LTC4015 最大功率點(diǎn)跟蹤算法執(zhí)行周期性的全局搜索以及連續(xù)的局部抖動(dòng)，以確保給系統(tǒng)供電的太陽能電池板處于其峰值功率運(yùn)行狀態(tài)。全局搜索是確保連續(xù)抖動(dòng)算法未被困在某個(gè)局部最大功率點(diǎn) (而應(yīng)該是固定在全局最大功率點(diǎn)) 所必需的。視太陽能電池板具體構(gòu)造的不同，這有可能出現(xiàn)在部分遮蔭的情況下。

局部抖動(dòng)和全局搜索利用了被稱為 UVCL (即欠壓電流限制) 的 LTC4015 輸入電壓調(diào)節(jié)功能。UVCL 控制環(huán)路在 VIN (采用一個(gè) VIN 分壓器在 UVCLFB 引腳上觀察) 降至一個(gè)設(shè)定電平 (VIN_UVCL_SETTING) 時(shí)自動(dòng)地減小充電電流，從而避免阻性或電流限制輸入電源降至過低 (例如：低于欠壓閉鎖 UVLO 門限)。

全局搜索使 VIN_UVCL_SETTING 以步進(jìn)的方式通過其整個(gè)數(shù)值范圍，并謹(jǐn)慎地避免把 VIN 拉至低于 UVLO 或 VIN_DUVLO (差分欠壓閉鎖) 門限。如果輸入電壓降至電池電壓的約 100mV 以內(nèi)，則滿足了差分 UVLO 條件。在每個(gè) VIN_UVCL_SETTING 電平，測量充電電流。當(dāng)掃描完成時(shí)，LTC4015 將使用與最大實(shí)測電池充電電流相對應(yīng)的 VIN_UVCL_SETTING 值。

由于電池電壓為低阻抗且在整個(gè)掃描過程中相對穩(wěn)定，因此最大電池充電電流與最大輸出功率很好地對應(yīng)。在全局搜索之后，通過使 VIN_UVCL_SETTING 緩慢地抖動(dòng) (大約每秒一次) 來跟蹤最大功率的小幅變化。LTC4015 周期性地 (大約每 15 分鐘一次) 執(zhí)行 VIN_UVCL_SETTING 值新的全局搜索、使用新的最大功率點(diǎn)、并在該點(diǎn)上恢復(fù)抖動(dòng)。圖 2 示出了后隨局部抖動(dòng)的典型 MPPT 全局搜索。

圖 2：MPPT 搜索算法

抖動(dòng)算法以使 VIN_UVCL_SETTING 遞增一個(gè)梯級并測量新的充電電流作為開始。如果新的充電電流大于前一個(gè)測量值，則 VIN_UVCL_SETTING 以大約每秒一次的速率繼續(xù)遞增，直到充電電流減小或 VIN_UVCL_SETTING 達(dá)到全標(biāo)度為止，抖動(dòng)方向在這一點(diǎn)上反轉(zhuǎn)。全標(biāo)度對應(yīng)于 VUVCLFB = 1.2V 和一個(gè) 36.5V 輸入電壓 (采用所需的 UVCLFB MPPT 電阻分壓器值)。在相反的方向，VIN_UVCL_SETTING以大約每秒一次的速率遞減，直到充電電流減小或輸入電壓降至過于接近 UVLO 門限為止，抖動(dòng)方向在這一點(diǎn)上再次反轉(zhuǎn)。

MPPT 特殊考慮因素

雖然 MPPT 的工作原理在多數(shù)條件下都是相當(dāng)簡單，但是也存在少量一反常態(tài)的情況。LTC4015 在這些情況下將跳出基本算法的束縛，以試圖最大限度增加太陽能電池板停留在其真正最大功率點(diǎn)上的時(shí)間。

抖動(dòng)期間充電電流的顯著變化

當(dāng) LTC4015 采用抖動(dòng)算法時(shí)，如果電池充電電流在單個(gè)抖動(dòng)梯級中下降了 1% 或更多，那么抖動(dòng)方向在僅 7ms (而不是正常的 1 秒) 之后就將反轉(zhuǎn)。這最大限度增加了停留在最高功率設(shè)定值的時(shí)間。同樣，假如充電電流的逐級變化大于 ±25%，則該算法重復(fù)一次全局搜索，而不會(huì)等待標(biāo)準(zhǔn)的 15 分鐘。最大全局搜索重復(fù)率為每 5 分鐘一次。

輸入電流限制設(shè)置

如上文提及的那樣，LTC4015 在 MPPT 算法執(zhí)行期間監(jiān)視輸入電壓，以確保它未降至低于其中某個(gè) UVLO 門限。持續(xù)監(jiān)視下的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為 LTC4015 是否確實(shí)處于采用數(shù)字遙測系統(tǒng)之 vin_uvcl_active 位的 UVCL 調(diào)節(jié)狀態(tài)。請記住有 4 個(gè)參數(shù)是可調(diào)的：輸入電壓 (VIN_UVCL_SETTING)、輸入電流 (IIN_LIMIT_SETTING)、充電電壓 (VCHARGE_SETTING) 和充電電流 (ICHARGE_TARGET)。對于 MPPT 應(yīng)用，建議把輸入電流限值 (IIN_LIMIT_SETTING) 設(shè)定為大于或等于太陽能電池板的最大短路電流承受能力。這可確保輸入電流調(diào)節(jié)不會(huì)干擾 MPPT 電路運(yùn)作。然而，其他兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)路可以接管控制：充電電壓和充電電流。

可用的電流足夠

在全局搜索或抖動(dòng)階段中，如果充電電壓或充電電流調(diào)節(jié)所需的電流小于欠壓電流限值 UVCL，則意味著太陽能電池板可在該特定 VIN_UVCL_SETTING 滿足正常充電條件。在該點(diǎn)上，抖動(dòng)方向發(fā)生反轉(zhuǎn)或全局搜索停止。在全局搜索期間，導(dǎo)致退出 UVCL 調(diào)節(jié)環(huán)路的 VIN_UVCL_SETTING 很可能對應(yīng)于最大充電電流。如果出于某種異常原因它并不對應(yīng)于最大充電電流，則 LTC4015 將斜坡回升至對應(yīng)于最大充電電流的 VIN_UVCL_SETTING。

低的可用功率

當(dāng)由已完成的全局搜索所測量的最大充電電流低于全標(biāo)度的約 5% 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種特殊場合，此時(shí)的全標(biāo)度對應(yīng)于 RSNSB 兩端上的 32mV (例如，對于 4A 充電器為 200mA)。在該場合中，LTC4015 返回在全局搜索期間發(fā)現(xiàn)的 VIN_UVCL_SETTING，但是并不試圖抖動(dòng)。在該充電電流水平上，個(gè)別 ADC 讀數(shù)中的噪聲變得明顯，而且抖動(dòng)有可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的運(yùn)行。

更低的可用功率

如果由已完成的全局搜索所測量的最大充電電流更低，小于全標(biāo)度的約 1% (例如：對于 4A 充電器為 40mA，即在 RSNSB 兩端上僅為 320μV)，則 LTC4015 已經(jīng)幾乎失去了其控制太陽能電池板功率的能力。盡管如此，為實(shí)現(xiàn)太陽能電池板輸出功率的最大化做了最后一次嘗試。LTC4015 返回一個(gè)與當(dāng) VIN_UVCL_ SETTING 位于全標(biāo)度時(shí)測量的太陽能電池板開路電壓的 70% 相對應(yīng)的 VIN_UVCL_SETTING。由于太陽能電池板通常用一個(gè)為其開路電壓 70%–80% 的電壓產(chǎn)生最大功率，而且功率在太陽能電池板電壓降低時(shí)緩慢地滾降，因此這是利用最少可用信息實(shí)現(xiàn)功率最大化的最佳嘗試。

　二極管“合路”拓?fù)涞臐撛趩栴}

視具體應(yīng)用條件的不同，二極管“合路”拓?fù)?(見圖 1) 可以實(shí)現(xiàn)太陽能電池板功率的次優(yōu)利用?？紤]一下圖 3 所示的簡化 LTC4015「電源通路」(PowerPath) 架構(gòu)。

圖 3：LTC4015 PowerPath 架構(gòu)

如果系統(tǒng)負(fù)載增加至超過了太陽能電池板的電流供應(yīng)能力，則兩個(gè)理想二極管控制器都將接通，而且 MN1 和 MP1 傳導(dǎo)電流以支持增加的負(fù)載。太陽能電池板輸出電壓驟降至系統(tǒng)負(fù)載電壓，后者驟降至電池電壓。

采用與電池電壓相等的太陽能電池板電壓工作不可能產(chǎn)生最大功率，但是在大多數(shù)應(yīng)用中，這不應(yīng)該是一個(gè)嚴(yán)重關(guān)切的問題。

太陽能電池板的尺寸應(yīng)按這樣的標(biāo)準(zhǔn)來確定，即：平均來說，其功率容量大于平均負(fù)載功率。如果不滿足該條件，則電池將不充電。因此，圖 3 所描繪的情形不應(yīng)該是常見的。

此外，任何與 LTC4015 配對使用的太陽能電池板還具有一個(gè)<40V 的開路電壓，以避免違反 LTC4015 的絕對最大額定規(guī)格。許多符合該要求的市售太陽能電池板具有一個(gè)約 17V 的最大電

源電壓。當(dāng)給一個(gè) 12V 鉛酸電池、一個(gè) 3S鋰離子電池組 (~11.7V)、或者一個(gè) 4S 鋰離子電池或磷酸鐵鋰電池 (分別為 ~15.6V 和 14V) 充電時(shí)，太陽能電池板將很可能仍然工作在高于其最大功率之 75% 或 80% 的水平。換言之，即使太陽能電池板最大電源電壓與電池電壓之間的差異相對較小，性能也不會(huì)受到明顯的影響。對于最大電源電壓不是 17V 的太陽能電池板，同樣的邏輯也適用。如果最大電源電壓相對接近于典型電池電壓，則系統(tǒng)負(fù)載超過太陽能電池板電流的短暫時(shí)段將不會(huì)對性能產(chǎn)生顯著的影響。然而，假如這種情形仍然是一個(gè)顧慮，那么有一款相應(yīng)的解決方案。

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