太陽能電池充電器可在低光照環(huán)境中保持高效率

　　圖 1：太陽能電池板可在一個特定的輸出電壓 （V_MP） 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節(jié)在 V_MP 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，但當功率級別很低時電池充電器的電源轉換效率將變差，從而導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。

　　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)引腳負責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 時呈高阻抗狀態(tài)。

　　在低照度期間，輸入調節(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節(jié)電壓V_IN(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，太陽能電池板電壓將在 UVLO 遲滯范圍內爬升，直至達到 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，直到輸入電壓調節(jié)環(huán)路再次停用充電器為止。該循環(huán)不斷地重復，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 輸入調節(jié)電壓 （針對“12V 系統(tǒng)”太陽能電池板的一種常用V_MP），其采用V_{IN_REG} 引腳上的電阻分壓器 R4 和 R5 來設置。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 V_MP 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 PWM 電路可顯著在電池充電電流低于 200mA 時提高效率。

　　圖 2：17V V_MP 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)”（V_MP = 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。當充電電流被輸入調節(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 V_BAT，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 構成的電阻分壓器）。UVLO 功能采用該分壓器進行設置，以擁有一個 18V 的下降門限和一個 20V 的上升門限。下降門限是一個關鍵性的設計參數(shù)值，而且必須被設置為一個高于輸入調節(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）。

　　在低照度條件下，當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。當輸入調節(jié)環(huán)路運行時，V_IN 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V_IN 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V_IN 上的電壓增加，直至達到 20V 的 UVLO 上升門限為止，從而重新使能 LT3652。由于電池充電器在V_IN 遠遠高于 17V 輸入調節(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，/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V_IN 降低至 17V 為止，此時利用輸入調節(jié)來減小電池充電電流以維持該電壓。當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)重復進行，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的電池充電電流。

　　圖 5 示出了圖 2 中電路的 PWM 操作。當 LT3652 停用時，VIN 上的電壓從 17V 的輸入調節(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V_IN 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計。

　　圖 6：17V V_MP 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） 特性進行充電時可提供最高 2A，充電至高達 14.4V 的吸收模式調節(jié)電壓，前提是太陽能電池板可提供足夠的輸入功率。當電池接近 14.4V 的調節(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。

　　當吸收模式充電完成時，作為達到 C/10 充電電流門限的響應，/CHRG 引腳變至高阻抗，而且浮動模式維護充電操作開始。在浮動模式中調節(jié)電壓從 14.4V 降至 13.5V，這通過有效地將 R9 從 V_FB 求和節(jié)點移除來實現(xiàn) ── 當 /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)行浮動模式充電調節(jié)。假如充電電流減小至 200mA 以下 （通過輸入調節(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，其負責在 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 （V_CHARGE = 13.5V）。如圖 7 所示，增設 PWM 電路可顯著地提高電池充電電流低于 200mA 時的效率水平。

　　
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，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)周期中應降低V_IN(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 V_MP 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 時也降低了輸入調節(jié)電壓 （V_IN(REG)）。這可通過跟蹤低電流時太陽能電池板的典型 V_MP 下降來改善太陽能電池板的效率。

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

　　低電流 V_MP 跟蹤通過給由 R4 和 R5 組成的輸入調節(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） 連接至輸入調節(jié)求和節(jié)點。當 /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V_IN(REG) 從 17V 降至 15V。

如果由于照度水平偏低的原因而導致充電器遭遇輸入功率不