化学电池充电器支持用于太阳能电池板的最大功率点跟踪

LTC4015是一款通用的同步降压型充电器，可支持包括铅酸、锂离子和磷酸铁锂(LiFepO4)在内的多种化学电池。LTC4015拥有大量的电池充电功能，包括库仑计数以及多种电池和系统监视能力。不过，本文将着重阐述其可实现太阳能电池板最大功率点跟踪(MppT)功能的输入控制环路。

关于那些尚未接触过MppT基本概念、或可以使用知识更新的读者，请登录。不管您具备多少MppT常识，要理解LTC4015的实现办法，就必需弄懂LTC4015的多控制环路工作原理，这一点是很紧要。

器件的基本工作原理

LTC4015采用一个驱动MN2和MN3的峰值电流模式同步降压型控制器给电池充电(见图1)。该控制器能调节4个参数：输入电压(采用UVCLFB引脚)、输入电流(CLp和CLN)、电池充电电压(BATSENS)和电池充电电流(CSp和CSN)。峰值电感器电流控制和电池充电电流调节均利用测试电阻器RSNSB完成。除了这两种功能之外，RSNSB还使LTC4015能监视电池充电和放电电流、电池ESR和电池库仑计数。输入电压调节是MppT工作原理的一个紧要部分，将在下一节具体讨论。

LTC4015采用一种理想二极管“合路”powerpath架构，以实现输入电源和电池至系统负载的无缝连接。倘若VIN>VCSp(电池电压)，则理想二极管MN1把VIN连接至VSYS，而倘若VCSp>VIN，则Mp1把电池连接至VSYS。除了从VIN给系统供电之外，两个二极管控制器还和充电器一起工作，以从电池给系统供电(没有反向驱动VIN)，并保证可向系统供应电能，即使在来自VIN的功率不足或缺失的情况下也不例外。

当可供应给开关充电器的功率由于编程输入电流限制(输入电流调节)或输入欠压限制(输入电压调节)电路运行而受限时，充电电流将自动减小以确定系统负载的供电优先级。然而，紧要的是应留意到，LTC4015仅限制充电电流，但是并不限制从输入传递至系统负载的电流–倘若在充电电流减小至零之后，单是系统负载所需的功率就超过了输入可供应的水平，则VSYS非得降至电池电压，以便由电池供应补充功率。

图1：简化的LTC4015使用电路拓扑(不一定专为太阳能电池板输入进行了优化)

这一点关于MppT运作是很紧要。LTC4015有效地运用了其操控充电电流以调节输入电流和输入电压的能力。换句话说，倘若输入电压的降幅足够大以至于UVCLFB引脚电压降至低于其DAC设定的伺服电压，则减小充电电流以试图保持该输入电压电平。同样，假若输入电流开始超过DAC设定的输入电流限值，则减小充电电流以期维持该输入电流水平。然而，倘若充电电流减小至零，那么LTC4015将失去其进一步影响输入电流或输入电压的能力。要更具体地研究LTC4015MppT的工作原理，以知道这些问题至关重要的原由。

MppT工作原理

LTC4015最大功率点跟踪算法执行周期性的全局搜索以及继续的局部抖动，以确保给系统供电的太阳能电池板处于其峰值功率运行状态。全局搜索是确保继续抖动算法未被困在某个局部最大功率点(而应当是固定在全局最大功率点)所必需的。视太阳能电池板详尽构造的不同，这有可能出今朝部分遮荫的情况下。

局部抖动和全局搜索利用了被称为UVCL(即欠压电流限制)的LTC4015输入电压调节功能。UVCL控制环路在VIN(采用一个VIN分压器在UVCLFB引脚上观察)降至一个设定电平(VIN_UVCL_SETTING)时自动地减小充电电流，从而戒备阻性或电流限制输入电源降至过低(例如：低于欠压闭锁UVLO门限)。

全局搜索使VIN_UVCL_SETTING以步进的方式通过其整个数值范围，并谨慎地戒备把VIN拉至低于UVLO或VIN_DUVLO(差分欠压闭锁)门限。倘若输入电压降至电池电压的约100mV以内，则满足了差分UVLO条件。在每个VIN_UVCL_SETTING电平，测量充电电流。当扫描完成时，LTC4015将使用与最大实测电池充电电流相对应的VIN_UVCL_SETTING值。

由于电池电压为低阻抗且在整个扫描过程中相对稳定，因此最大电池充电电流与最大输出功率很好地对应。在全局搜索之后，通过使VIN_UVCL_SETTING缓慢地抖动(约莫每秒一次)来跟踪最大功率的小幅变化。LTC4015周期性地(约莫每15分钟一次)执行VIN_UVCL_SETTING值新的全局搜索、使用新的最大功率点、并在该点上恢复抖动。图2示出了后随局部抖动的典型MppT全局搜索。

图2：MppT搜索算法

抖动算法以使VIN_UVCL_SETTING递增一个梯级并测量新的充电电流作为开始。倘若新的充电电流大于前一个测量值，则VIN_UVCL_SETTING以约莫每秒一次的速率持续递增，直到充电电流减小或VIN_UVCL_SETTING达到全标度为止，抖动方向在这一点上反转。全标度对应于VUVCLFB=1.2V和一个36.5V输入电压(采用所需的UVCLFBMppT电阻分压器值)。在相反的方向，VIN_UVCL_SETTING以约莫每秒一次的速率递减，直到充电电流减小或输入电压降至过于接近UVLO门限为止，抖动方向在这一点上再次反转。

MppT特殊考虑因素

虽然MppT的工作原理在多数条件下都是相当简单，但是也存在少量一反常态的情况。LTC4015在这些情况下将跳出基本算法的束缚，以试图最大限度新增太阳能电池板停留在其真正最大功率点上的时间。

抖动期间充电电流的显著变化

当LTC4015采用抖动算法时，倘若电池充电电流在单个抖动梯级中下降了1%或更多，那么抖动方向在仅7ms(而不是正常的1秒)之后就将反转。这最大限度新增了停留在最高功率设定值的时间。同样，倘若充电电流的逐级变化大于±25%，则该算法重复一次全局搜索，而不会等待标准的15分钟。最大全局搜索重复率为每5分钟一次。

输入电流限制设置

如上文提及的那样，LTC4015在MppT算法执行期间监视输入电压，以确保它未降至低于其中某个UVLO门限。继续监视下的另一个标准为LTC4015是不是实在处于采用数字遥测系统之vin_uvcl_active位的UVCL调节状态。请记住有4个参数是可调的：输入电压(VIN_UVCL_SETTING)、输入电流(IIN_LIMIT_SETTING)、充电电压(VCHARGE_SETTING)和充电电流(ICHARGE_TARGET)。关于MppT使用，提议把输入电流限值(IIN_LIMIT_SETTING)设定为大于或等于太阳能电池板的最大短路电流承受能力。这可确保输入电流调节不会干扰MppT电路运作。然而，其他两个调节环路可以接管控制：充电电压和充电电流。

可用的电流足够

在全局搜索或抖动阶段中，倘若充电电压或充电电流调节所需的电流小于欠压电流限值UVCL，则意味着太阳能电池板可在该特定VIN_UVCL_SETTING满足正常充电条件。在该点上，抖动方向发生反转或全局搜索停止。在全局搜索期间，导致退出UVCL调节环路的VIN_UVCL_SETTING很可能对应于最大充电电流。倘若出于某种异常原由它并不对应于最大充电电流，则LTC4015将斜坡回升至对应于最大充电电流的VIN_UVCL_SETTING。

低的可用功率

当由已完成的全局搜索所测量的最大充电电流低于全标度的约5%时，会出现一种特殊场合，此时的全标度对应于RSNSB两端上的32mV(例如，关于4A充电器为200mA)。在该场合中，LTC4015返回在全局搜索期间发现的VIN_UVCL_SETTING，但是并不试图抖动。在该充电电流水平上，个别ADC读数中的噪声变得分明，而且抖动有可能导致不稳定的运行。

更低的可用功率

倘若由已完成的全局搜索所测量的最大充电电流更低，小于全标度的约1%(例如：关于4A充电器为40mA，即在RSNSB两端上仅为320μV)，则LTC4015已经几乎失去了其控制太阳能电池板功率的能力。尽管如此，为实现太阳能电池板输出功率的最大化做了最后一次尝试。LTC4015返回一个与当VIN_UVCL_SETTING位于全标度时测量的太阳能电池板开路电压的70%相对应的VIN_UVCL_SETTING。由于太阳能电池板通常用一个为其开路电压70%–80%的电压出现最大功率，而且功率在太阳能电池板电压降低时缓慢地滚降，因此这是利用最少可用信息实现功率最大化的最佳尝试。

二极管“合路”拓扑的潜在问题

视详尽使用条件的不同，二极管“合路”拓扑(见图1)可以实现太阳能电池板功率的次优利用。考虑一下图3所示的简化LTC4015电源通路(powerpath)架构。

图3：LTC4015powerpath架构

倘若系统负载新增至超过了太阳能电池板的电流供应能力，则两个理想二极管控制器都将接通，而且MN1和Mp1传导电流以支持新增的负载。太阳能电池板输出电压骤降至系统负载电压，后者骤降至电池电压。

采用与电池电压相等的太阳能电池板电压工作不可能出现最大功率，但是在大多数使用中，这不应当是一个严重关爱的问题。

太阳能电池板的尺寸应按这样的标准来确定，即：均匀来说，其功率容量大于均匀负载功率。倘若不满足该条件，则电池将不充电。因此，图3所描绘的情形不应当是常见的。

此外，任何与LTC4015配对使用的太阳能电池板还具有一个

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