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(多图) 电池充电器独特的输入调节环路简化太阳能电池板最大功率点跟踪

2012年01月10日 ?? 收藏0
电池技术的进步和器件性能的提高已经使人们有可能做出复杂的电子产品,这可在两次充电之间以长时间运行。即便如此,就某些设备而言,通过插入电网的电源插座给电池再充电有时是不可能的。路边的应急电话、导航浮标和偏远的气象监测站仅是少数几种无法接入电网的应用,因此这类应用必须从周围环境收集能量。

太阳能电池板作为能量收集电源有巨大的发展潜力,它们仅需要电池储存所收集的能量,并在光线暗淡时继续供电。太阳能电池板相对昂贵,因此从电池板抽取最大功率对于最大限度地减小电池板尺寸至关重要。比较棘手的问题是,怎样平衡太阳能电池板尺寸和所需功率。太阳能电池板的特性要求是要仔细管理随负载变化的电池板输出功率,以在各种不同的照明条件下,有效优化电池板的输出功率。

就给定照明量而言,太阳能电池板有一个特定产生最大功率的工作点(参见图1)。随着照明条件改变,保持在这个峰值功率点上运行的做法,称为最大峰值功率跟踪(MPPT)。要执行最大峰值功率跟踪功能,常常需要使用复杂的算法,例如周期性地改变电池板的负载,同时直接测量电池板的输出电压和输出电流,计算电池板的输出功率,然后随着照明和/或温度条件的改变,强制在提供峰值输出功率的工作点上运行。这类算法一般需要复杂的电路及微处理器控制方法。

电流随电压以及功率随电压的变化
图1:一个太阳能电池板在不同的照明量情况下,电流随电压以及功率随电压的变化。无论照明量大小,该电池板的输出电压在最大功率点(VMP)上都保持相对固定

不过,在太阳能电池板的输出电压和该电池板产生的功率之间存在一种有趣的关系。在最大功率点时,无论照明量大小,太阳能电池板的输出电压都保持相对固定。因此,在电池板工作时,强制保持输出电压在这个峰值功率电压(VMP)上,就能使电池板产生峰值输出功率。因此,利用这个VMP特性,而不是采用复杂的最大峰值功率跟踪电路和算法,电池充电器就能保持峰值功率传送。

LT3652电池充电器的几个特点

LT3652是一款完整的单片降压型且适用于多种电池化学组成的充电器,以高达32V(绝对最大值为40V)的输入电压工作,并以高达14.4V的浮置电压给电池组充电。LT3652含有一种创新性的输入调节电路,该电路采用一种简单和自动的方法以控制充电器的输入电源电压,当使用稳定性不佳的电源(例如太阳能电池板时),这种方法很有用。LT3652HV是该充电器的高压版本,能以高达18V的浮置电压给电池组充电。

输入调节环路保持太阳能电池板在峰值功率点上运行

如果输入电源电压向着设定值方向下降,那么LT3652的输入调节环路就线性地降低输出的电池充电电流。这个闭环调节电路跟随充电电流,因此也就跟随输入电源的负载而变化,这样输入电源电压就可保持为等于或高于设定值。当由太阳能电池板供电时,通过简单地将最低输入电压值设定为等于电池板的峰值电源电压VMP,LT3652就能以最大峰值功率跟踪模式工作。所希望的峰值功率电压通过一个电阻器分压器设定。

如果充电时,LT3652所需要的功率超过了可从太阳能电池板得到的功率,那么LT3652的输入调节环路就随之使充电电流降低。之所以出现这种情况,可能是因为所希望的电池充电电流上升,或太阳能电池板照明量下降。在任何一种情况下,该调节环路都保持太阳能电池板的输入电压等于设定的VMP,正如VIN_REG引脚上的电阻器分压器所设定的那样。

该输入调节环路是一种简单和从容的方法以强制特定太阳能电池板在峰值功率点上工作。采用其他稳定性不佳的电源时(例如输入电源在过流条件下可能出现崩溃的情况),也可以用这个输入电压调节环路来优化运作。

集成和全功能的电池充电器

LT3652以固定的1MHz开关频率工作,具有恒定电流/恒定电压(CC/CV)充电特性。该器件可用外部电阻器编程,以提供高达2A的充电电流,同时充电电流准确度为±5%。该IC尤其适用于与流行和价格不高的“12V系统”太阳能电池板有关之电压范围,这类系统的典型开路电压约为25V。

该充电器采用3.3V浮置电压反馈基准,因此用一个电阻器分压器就可设定想要的电池浮置电压在3.3V至14.4V(采用LT3652HV时则高达18V)的范围内。LT3652的浮置电压反馈准确度为±0.5%。LT3652的宽输出电压范围适用于很多电池化学组成和配置,包括多达3节串联的锂离子/聚合物电池、多达4节串联的LiFePO4(磷酸铁锂)电池以及多达6节串联的密封铅酸(SLA)电池。该充电器的高压版本LT3652HV也已供货。LT3652HV以高达34V的输入电压工作,可充电至18V浮置电压,适用于4节锂离子/聚合物或5节LiFePO4电池组。

LT3652含有一个可编程安全定时器,用来在达到所希望的时间后终止充电。简单地将一个电容器连接到TIMER引脚,就能启动该定时器。将TIMER引脚短接到地,就可将LT3652配置为,当充电电流下降到低于所设定最大值的10%(C/10)时终止充电,而C/10检测的准确度为±2.5%。利用安全定时器实现终止,允许在电流低于C/10时进行Top-Off型充电。一旦充电终止,LT3652就进入低电流(85μA)备用模式。如果电池电压降至比所设定的浮置电压低2.5%,那么自动再充电功能就启动一个新的充电周期。LT3652采用扁平、12引线3mmx3mmDFN和MSOP封装。

节能和具低静态电流的停机模式

LT3652有一个门限精确的停机引脚,允许利用一个电阻器分压器简单地实现欠压闭锁功能。当处于低电流停机模式时,LT3652仅从输入电源吸取15μA电流。通过使用一个连接到该器件NTC引脚的热敏电阻器来监视电池温度,该IC还支持温度合格的充电。该器件有两个二进制编码的集电极开路状态引脚,显示了LT3652电池充电器的工作状态、/CHRG和/FAULT。这些状态引脚可驱动LED,以发出可视的充电器状态信号,或可用作面向控制系统的逻辑电平信号。

简单的太阳能供电电池充电器

图2显示了一个具电源通路管理的2A两节LiFePO4电池充电器。当太阳能电池板照明不充分时,这个电路从电池向系统负载供电,而当太阳能电池板能提供系统负载所需功率时,就直接从太阳能电池板供电。输入电压调节环路针对具17V峰值功率输入的太阳能电池板而设定。该充电器采用C/10终止,因此当所需电池充电电流降至低于200mA时,充电电路就被停用。这个LT3652充电器还用两个LED来提供状态和故障信号。这些二进制编码的引脚发出电池充电、备用或停机模式信号以及电池温度故障和坏电池故障信号。

一个具17V峰值功率跟踪和面向两节
图2:一个具17V峰值功率跟踪和面向两节。LiFePO4电池的2A太阳能电池板电源管理器

输入电压稳定点用太阳能电池板输出与VIN_REG引脚之间的电阻器分压器设定。当太阳能电池板的输出向17V急剧下降时,就降低最大输出充电电流,该17V对应于VIN_REG引脚的2.7V。这个伺服环路就是这样动作,以动态地将充电器系统的功率需求降至太阳能电池板能提供的最大功率,从而保持了太阳能电池板的电能利用率接近100%,如图3所示。

17V输入电压调节门限对太阳能电池板峰值功率的跟踪程度超过98%
图3:17V输入电压调节门限对太阳能电池板峰值功率的跟踪程度超过98%

希望效率更高?用隔离FET取代隔离二极管

在电池电压高于4.2V时使用LT3652,需要一个隔离二极管。这个二极管两端的压降产生了功率损耗项,降低了充电效率。如图4所示,用一个P沟道FET取代该隔离二极管,就可以极大地降低这一功率损耗项。

一个2A的三节LiFePO4充电器用P沟道FET实现输入隔离以提高大电流充电效率
图4:一个2A的三节LiFePO4充电器用P沟道FET实现输入隔离以提高大电流充电效率

图4所示是一个具10.8V浮置电压的3节LiFePO42A充电器。这个充电器具14.5V输入电压调节门限,且当VIN≥13V时,由SHDN引脚启动。充电周期终止是由3小时的定时器周期控制的。隔离二极管在使用时,通常与输入电源串联,以实现反向电压保护,该隔离二极管被一个FET取代了。另外,用一个10V的齐纳二极管实现箝位,以防止超过FET的VGS最大值。如果规定的VIN范围没有超过输入FET的VGS最大值,那么这个箝位就不需要。

在正常充电周期(ICHG>C/10)的大电流充电期间,/CHRG状态引脚保持为低电平。在如图4所示的充电器中,这个/CHRG信号用来将隔离FET的栅极拉低,从而实现了一个低阻抗电源通路,这个通路没有隔离二极管压降,可提高转换效率。图5显示,与采用肖特基隔离二极管工作时相比,增加这个隔离FET使效率提高了4%。

当采用15V输入对10.8V三节LiFePO4电池充电时,肖特基隔离二极管与隔离FET的效率比较
图5:当采用15V输入对10.8V三节LiFePO4电池充电时,肖特基隔离二极管与隔离FET的效率比较

如果该定时器用来实现终止,那么一旦达到小于C/10的充电电流,该FET的本体二极管就提供一个传导通路,/CHRG引脚就变成高阻抗。如果需要,那么肖特基隔离二极管可以留下来,与该隔离FET并联,以在定时器控制的充电周期的Top-Off部分提高转换效率。将FETKEY作为隔离组件使用,还提高了Top-Off效率。


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