太陽能電池充電器可在低光照環(huán)境中保持高效率

任何太陽能電池板的一個重要特性是其可在一個相對恒定的工作電壓 (VMP) 下實現(xiàn)峰值功率輸出，這與照明水平無關(guān) (見圖 1)。LT3652 2A 電池充電器充分利用了這一特性，以通過實施輸入電壓調(diào)節(jié)來把太陽能電池板保持于峰值工作效率 (正待專利審議)。當(dāng)可用的太陽能功率不足以滿足一個 LT3652 電池充電器的功率要求時，輸入電壓調(diào)節(jié)電路將減小電池充電電流。這將降低太陽能電池板上的負(fù)載以把太陽能電池板電壓維持在 VMP，從而最大限度地增加太陽能電池板的輸出功率。這種實現(xiàn)峰值太陽能電池板效率的方法被稱為最大功率點控制 (MPPC)。

圖 1：太陽能電池板可在一個特定的輸出電壓 (VMP) 下產(chǎn)生最大的功率，這相對地獨立于照明水平。LT3652 2A 電池充電器通過把太陽能電池板輸入電壓調(diào)節(jié)在 VMP 以最大限度地增加太陽能電池板的輸出功率。

雖然 MPPC 可在低照度期間優(yōu)化太陽能電池板的效率，但當(dāng)功率級別很低時電池充電器的電源轉(zhuǎn)換效率將變差，從而導(dǎo)致從太陽能電池板至電池的總功率傳輸效率下降。本文將說明怎樣通過運用一種簡單的 PWM 充電方法 (其在功率級別很低時強制電池充電器以突發(fā)脈沖的形式釋放能量) 來改善電池充電器效率。[!--empirenews.page--]

采用電流監(jiān)視器狀態(tài)引腳來指示低功率條件

LT3652 上的 /CHRG 電流監(jiān)視器狀態(tài)引腳負(fù)責(zé)指示電池充電電流的狀態(tài)，并在這里用于控制 PWM 功能。該引腳在充電器輸出電流大于 C/10 (即編程最大電流的 1/10) 時被拉至低電平，并在輸出電流低于 C/10 時呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。

在低照度期間，輸入調(diào)節(jié)環(huán)路可把充電器的輸出電流減小至 C/10 以下，從而導(dǎo)致 /CHRG 引腳變至高阻抗。該狀態(tài)引腳的 “狀態(tài)變更” 功能用于通過觸發(fā)一個輸入欠壓閉鎖 (UVLO) 電路 (其下降門限位于一個高于輸入調(diào)節(jié)電壓 VIN(REG) 的太陽能電池板電壓) 來停用 IC。作為針對充電器停用的響應(yīng)，太陽能電池板電壓將在 UVLO 遲滯范圍內(nèi)爬升，直至達(dá)到 UVLO 上升門限為止，此時以滿功率重新使能充電器。充電器隨后將提供充電電流，直到輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路再次停用充電器為止。該循環(huán)不斷地重復(fù)，從而產(chǎn)生一個由一系列高電流突發(fā)脈沖組成的充電器輸出，這可在任何照明水平下最大限度地提高充電器的效率以及整個太陽能充電器系統(tǒng)的效率。

高效率鋰離子電池充電器

圖 2 示出了一款具低功率 PWM 功能的太陽能電池板至 3 節(jié)鋰離子電池充電器。該充電器使用了一個 17V 輸入調(diào)節(jié)電壓 (針對“12V 系統(tǒng)”太陽能電池板的一種常用 VMP)，其采用VIN_REG 引腳上的電阻分壓器 R4 和 R5 來設(shè)置。把一個典型 12V 系統(tǒng)太陽能電池板的工作電壓保持在其 17V 額定 VMP 電壓可產(chǎn)生接近 100% 的太陽能電池板效率，如圖 3 所示。低功率 PWM 功能采用 M1、R6、R7 和 R8 來實現(xiàn)。如圖 4 所示，增設(shè) PWM 電路可顯著在電池充電電流低于 200mA 時提高效率。[!--empirenews.page--]

圖 2：17V VMP 太陽能電池板至 3 節(jié)鋰離子電池 (12.6V) 2A 充電器

圖 3：典型“12V 系統(tǒng)”(VMP = 17V) 太陽能電池板效率

圖 4：圖 2 所示電路的效率

LT3652 的 /CHRG 引腳在所需充電電流超過 2A 編程最大充電電流的 1/10 (即 200mA) 時被拉至低電平。當(dāng)充電電流被輸入調(diào)節(jié)環(huán)路減小至 200mA 水平以下時，/CHRG 引腳變至高阻抗，這允許將 M1的柵極上拉至 VBAT，從而使能 FET M1。該 FET 把 R7 拉至地，從而啟用了一種輸入電壓 UVLO 功能 (其采用了 SHDN 引腳以及由 R6 和 R7 構(gòu)成的電阻分壓器)。UVLO 功能采用該分壓器進(jìn)行設(shè)置，以擁有一個 18V 的下降門限和一個 20V 的上升門限。下降門限是一個關(guān)鍵性的設(shè)計參數(shù)值，而且必須被設(shè)置為一個高于輸入調(diào)節(jié)電壓、并且比上升門限低 10% 的電壓 (這是 LT3652 停機門限遲滯決定的)。[!--empirenews.page--]

在低照度條件下，當(dāng)可用的太陽能電池板功率不足以讓 LT3652 提供所需的充電電流時，LT3652 的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路將減小輸出充電電流，直到充電器輸入功率與太陽能電池板提供的可用功率相等為止。當(dāng)輸入調(diào)節(jié)環(huán)路運行時，VIN 上的太陽能電池板電壓被保持在 17V 的編程峰值電源電壓，從而最大限度地增加了太陽能電池板所產(chǎn)生的功率。如果太陽能電池板照度變得足夠低，以至于可用的太陽能電池板功率對應(yīng)于200mA 以下的充電電流，則 /CHRG 引腳將變至高阻抗且 UVLO 功能通過 M1、R6 和 R7 來使能。

由于 VIN 處于 17V (這低于 UVLO 下降門限)，因此 LT3652 停機，從而停用所有的電池充電功能電路。當(dāng)電池充電器停用時，幾乎所有的太陽能電池板輸出電流都在給輸入電容器 (C1) 充電，這使得 VIN 上的電壓增加，直至達(dá)到 20V 的 UVLO 上升門限為止，從而重新使能 LT3652。由于電池充電器在 VIN 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 17V 輸入調(diào)節(jié)門限的情況下重新使能，所以全部的充電電流均流入電池。作為針對高電池充電電流水平的響應(yīng)，/CHRG 狀態(tài)引腳被拉至低電平，這將停用 UVLO 功能。只要電池充電器所需的功率低于可從太陽能電池板獲得的功率，太陽能電池板電壓將驟降，直到 VIN 降低至 17V 為止，此時利用輸入調(diào)節(jié)來減小電池充電電流以維持該電壓。當(dāng)充電電流再次減小至 200mA 時， /CHRG 引腳變至高阻抗，UVLO 電路被重新啟用，停用/使能循環(huán)重復(fù)進(jìn)行，從而產(chǎn)生一串充電電流“突發(fā)脈沖”，其取平均至與可從太陽能電池板獲得之功率相對應(yīng)的電池充電電流。[!--empirenews.page--]

圖 5 示出了圖 2 中電路的 PWM 操作。當(dāng) LT3652 停用時，VIN 上的電壓從 17V 的輸入調(diào)節(jié)門限斜坡上升至 20V 的停機門限。LT3652 /CHRG 引腳上的電壓在充電器使能時為低電平，而在充電器停用時則為高電平。當(dāng)充電器停用時，太陽能電池板的能量被存儲在輸入電容器中，因此從太陽能電池板提供的輸出功率保持連續(xù)。太陽能電池板的效率對應(yīng)于PWM 操作期間太陽能電池板上的平均電壓 (其大約為 18.5V)。

圖 5：PWM 操作期間的 VIN 波形 (對于圖 2 中的電路)

高效率鉛酸電池充電器

圖 6 示出了一款具低電流 PWM 功能的 6 節(jié)鉛酸電池充電器。該電池充電器專為那些與圖 2 中充電器所用的太陽能電池板特性相似的太陽能電池板而設(shè)計。

圖 6：17V VMP 太陽能電池板至 6 節(jié) 2A 鉛酸電池充電器

該鉛酸電池充電器執(zhí)行一種三級鉛酸電池充電模式，其采用了 2A 大電流充電模式充電、吸收模式充電 (至 14.4V) 和浮動充電維護 (在 13.5V)。這款電池充電器在以恒定電流/恒定電壓 (CC/CV) 特性進(jìn)行充電時可提供最高 2A，充電至高達(dá) 14.4V 的吸收模式調(diào)節(jié)電壓，前提是太陽能電池板可提供足夠的輸入功率。當(dāng)電池接近 14.4V 的調(diào)節(jié)電壓時，充電電流減小，并將在充電電流下降至 200mA (即最大充電電流的 1/10 [C/10]) 時完成吸收模式充電。

當(dāng)吸收模式充電完成時，作為達(dá)到 C/10 充電電流門限的響應(yīng)，/CHRG 引腳變至高阻抗，而且浮動模式維護充電操作開始。在浮動模式中調(diào)節(jié)電壓從 14.4V 降至 13.5V，這通過有效地將 R9 從 VFB 求和節(jié)點移除來實現(xiàn) ── 當(dāng) /CHRG 由 R8 拉至高電平時，其利用一個二極管“或”電路 (D4 和 D5) 來完成 (通過加有反向偏置的 D4)。

如果 LT3652 充電器由于太陽能電池板照度水平偏低而遭遇輸入功率不足的情況，也可以執(zhí)行浮動模式充電調(diào)節(jié)。假如充電電流減小至 200mA 以下 (通過輸入調(diào)節(jié)) 且 PWM 操作開始，那么 /CHRG 引腳電壓將變?yōu)橐粋€脈沖波形。D5 和 C5 實現(xiàn)了一個峰值檢波濾波器，其負(fù)責(zé)在 D4 上維持一個連續(xù)的反向偏置，從而在 PWM 操作期間將充電器保持于浮動模式 (VCHARGE = 13.5V)。如圖 7 所示，增設(shè) PWM 電路可顯著地提高電池充電電流低于 200mA 時的效率水平。[!--empirenews.page--]

圖 7：圖 6 所示電路的效率

如前文針對圖 2 中電池充電器所述，在 PWM 操作期間，輸入電壓從 17V 的輸入調(diào)節(jié)門限斜坡上升至 IC 停用周期中的 20V 停機門限。太陽能電池板的輸出功率對應(yīng)于太陽能電池板的平均電壓 (即大約 18.5V)。如圖 3 所示，該電壓在較高的輸出電流下處于最佳的工作范圍之內(nèi)，但在低于 200mA 的電流下則高于此范圍。為了在低光照運作時間較長的應(yīng)用中同時實現(xiàn)太陽能電池板輸出效率和電池充電器效率的最大化，在突發(fā)周期中應(yīng)降低 VIN(REG) 和 UVLO 電壓。下面將說明一種實現(xiàn)此目的的方法。

具低電流 VMP 跟蹤功能的高效率鉛酸電池充電器

圖 8 中的 LT3652 鉛酸電池充電器與圖 6 中的電池充電器很相似，但其在充電電流低于 200mA 時也降低了輸入調(diào)節(jié)電壓 (VIN(REG))。這可通過跟蹤低電流時太陽能電池板的典型 VMP 下降來改善太陽能電池板的效率。

圖 8：具低電池VMP跟蹤功能的 17V VMP 太陽能電池板至 6 節(jié) 2A 鉛酸電池充電器

低電流 VMP 跟蹤通過給由 R4 和 R5 組成的輸入調(diào)節(jié)分壓器增添 R10 來實現(xiàn)。R10 通過一個二極管“或”電路 (D6 和 D7) 連接至輸入調(diào)節(jié)求和節(jié)點。當(dāng) /CHRG 引腳電壓為高電平時，利用加有反向偏置的 D7 有效地將 R10 從求和節(jié)點移除，從而把 VIN(REG) 從 17V 降至 15V。

如果由于照度水平偏低的原因而導(dǎo)致充電器遭遇輸入功率不足的情況，將通過輸入調(diào)節(jié)環(huán)路減小充電電流以維持 17V 的 VMP 太陽能電池板電壓。倘若充電電流減小至 200mA 以下，則充電器開始執(zhí)行 PWM 操作且調(diào)節(jié)門限降低以執(zhí)行浮動充電，就像在前面提到的鉛酸電池充電器電路中一樣。此外，該充電器還把 VIN(REG) 降低至 15V，從而跟蹤低電流條件下太陽能電池板 VMP 的下降。

與前文描述的 D5 和 C5 相似，D6 和 C6 實現(xiàn)了一個峰值檢波濾波器。該濾波器在 D7 上維持一個連續(xù)的反向偏置，從而在 PWM 操作期間將低照度水平下的充電器輸入調(diào)節(jié)電壓保持在 15V。PWM 控制組件 (M1 和 R6~R8) 實現(xiàn)了 16V (下降) 和 17.5V (上升) 的 UVLO 門限。在 PWM 操作期間，VIN 條件下的太陽能電池板電壓從 15V 的輸入調(diào)節(jié)電壓斜坡上升至 17.5V 的 UVLO 上升門限，從而產(chǎn)生一個大約 16.25V 的平均太陽能電池板電壓。該充電器通過降低太陽能電池板的工作電壓并在低照度期間執(zhí)行 PWM 操作，最大限度地提高了充電器轉(zhuǎn)換效率和太陽能電池板輸出電源效率。[!--empirenews.page--]

結(jié)論

LT3652 電池充電器 IC 具有一個正待專利審議的輸入電壓調(diào)節(jié)電路，此電路用于將太陽能電池板保持在其最大電源電壓 VMP。雖然采用這種方法可使太陽能電池板的電源輸出效率得以優(yōu)化，但在低輸出電流條件下電池充電器的效率卻有所下降。利用一種簡單的 PWM 充電方法 (其實現(xiàn)僅需少量的外部元件)，可以極大地改善 LT3652 太陽能供電型電池充電器的效率，從而最大限度地提高充電器和太陽能電池板的運作效率。