LTC?4015 是一款通用型同步降壓型充電器，能夠支持多種電池化學(xué)成分，包括鉛酸、鋰離子和 LiFePO4.LTC4015 具有廣泛的電池充電功能列表，包括庫(kù)侖計(jì)數(shù)以及一系列電池和系統(tǒng)監(jiān)視器功能。但是，本文重點(diǎn)介紹其輸入控制環(huán)路，該環(huán)路支持太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能。

對(duì)于尚未接觸MPPT的一般概念或可以使用知識(shí)更新的讀者，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)“最大化太陽(yáng)能電池板功率輸出的技術(shù)”。無(wú)論您對(duì)MPPT的一般了解如何，要了解LTC4015的實(shí)現(xiàn)，了解LTC4015的多控制環(huán)路操作非常重要。

基本設(shè)備操作

LTC4015 利用一個(gè)驅(qū)動(dòng) MN2 和 MN3 的峰值電流模式同步降壓型控制器為電池充電 （參見(jiàn)圖 1）?？刂破骺梢哉{(diào)節(jié)四個(gè)參數(shù)：輸入電壓（使用 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）。峰值電感電流控制和電池充電電流調(diào)節(jié)均由檢測(cè)電阻R實(shí)現(xiàn)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.除了這兩個(gè)函數(shù)之外，R國(guó)家統(tǒng)計(jì)局允許 LTC4015 監(jiān)視電池充電和放電電流、電池 ESR 和電池庫(kù)侖計(jì)數(shù)。輸入電壓調(diào)節(jié)是MPPT操作的一個(gè)組成部分，將在下一節(jié)中詳細(xì)討論。

圖1.簡(jiǎn)化的LTC4015應(yīng)用拓?fù)洌ú灰欢ㄡ槍?duì)太陽(yáng)能電池板輸入進(jìn)行優(yōu)化）。

LTC4015 采用一種理想的二極管或 PowerPath 架構(gòu)，以將輸入電源和電池?zé)o縫連接至系統(tǒng)負(fù)載。理想二極管 MN1 連接 V在到 V.SYS如果 V在大于 V光熱發(fā)電（電池電壓），而 MP1 將電池連接到 V.SYS如果 V光熱發(fā)電大于 V在.除了從 V 為系統(tǒng)供電在，兩個(gè)二極管控制器與充電器一起工作，從電池向系統(tǒng)提供電力，而無(wú)需反向驅(qū)動(dòng)V在并保證即使 V 的電源不足或不存在，系統(tǒng)也能供電在.

當(dāng)由于編程的輸入電流限制（輸入電流調(diào)節(jié)）或輸入欠壓限制（輸入電壓調(diào)節(jié)）處于活動(dòng)狀態(tài)而使開(kāi)關(guān)充電器可用的功率有限時(shí)，充電電流會(huì)自動(dòng)降低，以優(yōu)先向系統(tǒng)負(fù)載供電。然而，需要注意的是，LTC4015 僅限制充電電流，而不限制從輸入到系統(tǒng)負(fù)載的電流 — 如果單獨(dú)系統(tǒng)負(fù)載在充電電流降至零后需要的功率大于輸入的可用功率，則 V.SYS必須降至電池電壓，以便電池提供補(bǔ)充電源。

這對(duì)于MPPT操作非常重要。LTC4015 有效地利用其操縱充電電流的能力來(lái)調(diào)節(jié)輸入電流和輸入電壓。換句話說(shuō)，如果輸入電壓降低到足以使UVCLFB引腳電壓降至其DAC編程的伺服電壓以下，則充電電流會(huì)降低，以試圖保持該輸入電壓電平。同樣，如果輸入電流開(kāi)始超過(guò)DAC編程的輸入電流限值，則充電電流會(huì)降低，以試圖維持該輸入電流水平。但是，如果充電電流減小到零，則 LTC4015 將失去進(jìn)一步影響輸入電流或輸入電壓的能力。更詳細(xì)地考慮LTC4015 MPPT操作，以了解這些問(wèn)題為何重要。

MPPT操作

LTC4015 最大功率點(diǎn)跟蹤算法執(zhí)行周期性全局搜索以及連續(xù)的局部抖動(dòng)，以確保為系統(tǒng)供電的太陽(yáng)能電池板保持其峰值功率工作狀態(tài)。全局搜索對(duì)于確保連續(xù)抖動(dòng)算法不會(huì)卡在本地最大功率點(diǎn)是必要的。根據(jù)確切的面板結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)在部分遮陽(yáng)條件下發(fā)生。

本地抖動(dòng)和全局搜索均利用了稱為 UVCL 或欠壓電流限制的 LTC4015 輸入電壓調(diào)節(jié)功能。UVCL 控制環(huán)路通過(guò)自動(dòng)降低充電電流 V 來(lái)防止電阻或電流受限輸入電源過(guò)低（例如，低于欠壓鎖定、UVLO 閾值）在（使用 V 在 UVCLFB 引腳上觀察在分壓器）降至可編程電平（VIN_UVCL_SETTING）。

全局搜索步驟VIN_UVCL_ SET 通過(guò)其全部值范圍，小心避免拉取 V在低于 UVLO 或 VIN_DUVLO，差分欠壓鎖定。如果輸入電壓降至電池電壓的約100mV以內(nèi)，則滿足差分UVLO條件。在每VIN_UVCL_SETTING測(cè)量充電電流。掃描完成后，LTC4015 應(yīng)用對(duì)應(yīng)于最大測(cè)量電池充電電流的VIN_UVCL_SETTING值。

由于電池電壓是低阻抗的，并且在整個(gè)掃描過(guò)程中相對(duì)穩(wěn)定，因此最大電池充電電流與最大輸出功率非常吻合。在全局搜索之后，通過(guò)緩慢（大約每秒一次）抖動(dòng)VIN_UVCL_SETTING來(lái)跟蹤最大功率的微小變化。LTC4015 周期性地（大約每 15 分鐘一次）執(zhí)行新的VIN_UVCL_SETTING值全局搜索，應(yīng)用新的最大功率點(diǎn)，并在該點(diǎn)恢復(fù)抖動(dòng)。圖 2 顯示了典型的 MPPT 全局搜索，然后是局部抖動(dòng)。

圖2.MPPT搜索算法。

抖動(dòng)算法首先將VIN_UVCL_SETTING遞增一步并測(cè)量新的充電電流。如果新的充電電流大于之前的測(cè)量值，則VIN_UVCL_ SET 繼續(xù)大約每秒增加一次，直到充電電流減小或 SET 達(dá)到滿量程VIN_UVCL_此時(shí)抖動(dòng)方向反轉(zhuǎn)。滿量程對(duì)應(yīng)于VUVCLFB= 1.2V，輸入電壓為36.5V，具有所需的UVCLFB MPPT電阻分壓器值。在相反方向上，VIN_UVCL_SETTING大約每秒遞減一次，直到充電電流減小或輸入電壓太接近UVLO閾值，此時(shí)抖動(dòng)方向再次反轉(zhuǎn)。

MPPT 特殊注意事項(xiàng)

雖然MPPT操作在大多數(shù)情況下相當(dāng)簡(jiǎn)單，但也有少數(shù)情況超出了規(guī)范。在這些情況下，LTC4015 在基本算法之外逐步調(diào)整，以最大限度地延長(zhǎng)面板在其真正最大功率點(diǎn)上花費(fèi)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)步驟中下降 1% 或更多，則抖動(dòng)方向僅在 7ms 后反轉(zhuǎn)，而不是正常的一秒。這樣可以最大限度地延長(zhǎng)在最高功率設(shè)置下花費(fèi)的時(shí)間。同樣，如果充電電流的步進(jìn)變化超過(guò) ±25%，則算法將重復(fù)全局搜索，而無(wú)需等待標(biāo)準(zhǔn)的 15 分鐘。最大全局搜索重復(fù)速率為每五分鐘一次。

輸入電流限制設(shè)置

如上所述，LTC4015 在 MPPT 算法期間監(jiān)視輸入電壓，以確保其不會(huì)低于 UVLO 門限之一。持續(xù)監(jiān)控下的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是 LTC4015 是否實(shí)際上處于使用 UVCL 調(diào)節(jié)狀態(tài)，采用數(shù)字遙測(cè)系統(tǒng)的 vin_uvcl_active 位。請(qǐng)記住，可以調(diào)節(jié)四個(gè)參數(shù)：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(duì)于MPPT應(yīng)用，建議將輸入電流限值（IIN_LIMIT_SETTING）設(shè)置為大于或等于太陽(yáng)能電池板的最大短路電流能力。這可確保輸入電流調(diào)節(jié)不會(huì)干擾MPPT操作。但是，另外兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)路可以控制：充電電壓和充電電流。

可用電流足夠

在全局搜索或抖動(dòng)階段，如果充電電壓或充電電流調(diào)節(jié)需要的電流小于欠壓電流限制UVCL，則意味著太陽(yáng)能電池板可以滿足該特定VIN_UVCL_SETTING的正常充電條件。此時(shí)，抖動(dòng)方向反轉(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可能對(duì)應(yīng)于最大充電電流。如果由于某種異常原因沒(méi)有，則 LTC4015 將斜坡回到對(duì)應(yīng)于最大充電電流的VIN_UVCL_SETTING。

低可用功率

另一種特殊情況是，通過(guò)完成的全局搜索測(cè)量的最大充電電流低于滿量程的約5%，其中滿量程對(duì)應(yīng)于R兩端的32mV。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局（例如，4A 充電器為 200mA）。在這種情況下，LTC4015 返回到全局搜索期間找到的VIN_UVCL_SETTING，但不嘗試抖動(dòng)。在此充電電流水平下，單個(gè)ADC讀數(shù)中的噪聲變得很大，抖動(dòng)可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的工作。

甚至更低可用功率

如果通過(guò)完成的全局搜索測(cè)量的最大充電電流甚至更低，則小于滿量程的約1%（例如，4A充電器為40mA，R兩端僅為320μV）。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局），那么 LTC4015 幾乎失去了控制太陽(yáng)能電池板功率的能力。盡管如此，還是進(jìn)行了最后一次嘗試，以最大限度地提高面板輸出功率。LTC4015 恢復(fù)到一個(gè)VIN_UVCL_SETTING，該對(duì)應(yīng)于 SET 處于全標(biāo)度時(shí)測(cè)量VIN_UVCL_太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓的 70%。由于太陽(yáng)能電池板通常以開(kāi)路電壓的70%-80%的電壓產(chǎn)生最大功率，并且在較低的電池板電壓下緩慢地滾落，因此這是以最少的可用信息最大化功率的最佳嘗試。

二極管OR拓?fù)涞臐撛趩?wèn)題

根據(jù)具體的應(yīng)用條件，二極管OR拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖1）可能會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板功率的次優(yōu)利用?？紤]圖 3 所示的簡(jiǎn)化型 LTC4015 PowerPath 架構(gòu)。

圖3.LTC4015 電源路徑架構(gòu)。

如果系統(tǒng)負(fù)載增加超過(guò)太陽(yáng)能電池板的電流能力，則兩個(gè)理想的二極管控制器都將打開(kāi)，MN1和MP1導(dǎo)通以支持增加的負(fù)載。太陽(yáng)能電池板輸出電壓塌陷到系統(tǒng)負(fù)載電壓，系統(tǒng)負(fù)載電壓崩潰到電池電壓。

在太陽(yáng)能電池板電壓等于電池電壓的情況下工作不太可能產(chǎn)生最大功率，但在大多數(shù)應(yīng)用中，這不應(yīng)該是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。

太陽(yáng)能電池板的尺寸應(yīng)使其平均功率容量大于平均負(fù)載功率。如果不滿足此條件，則電池將無(wú)法充電。因此，圖 3 中描述的場(chǎng)景不應(yīng)是典型的。

此外，任何與 LTC4015 配對(duì)的太陽(yáng)能電池板都必須具有一個(gè)小于 40V 的開(kāi)路電壓，以避免違反 LTC4015 的絕對(duì)最大額定值。許多滿足此要求的商用面板的最大電源電壓約為17V。為 12V 鉛酸電池、3S 鋰離子電池組 （~11.7V） 或 4S 鋰離子電池或 LiFePO 充電時(shí)4堆棧（分別為~15.6V和14V），面板可能仍會(huì)在其最大功率的75%或80%以上工作。換句話說(shuō)，即使面板的最大功率電壓與電池電壓之間的差異相對(duì)較小，性能也不會(huì)受到顯著影響。對(duì)于最大電源電壓不是 17V 的面板，相同的邏輯適用。如果最大電源電壓相對(duì)接近典型電池電壓，則系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)面板電流的短暫時(shí)間段不會(huì)顯著影響性能。但是，如果這種情況仍然是一個(gè)問(wèn)題，則有一個(gè)解決方案。

電池供電拓?fù)?/p>

為了確保 LTC4015 能夠始終保持對(duì)太陽(yáng)能電池板電源的完全控制，有必要針對(duì)系統(tǒng)負(fù)載移動(dòng)連接。有關(guān)此拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖，請(qǐng)參見(jiàn)圖4，該拓?fù)淇煞Q為電池供電拓?fù)?。這種配置強(qiáng)制負(fù)載與電池共享編程充電電流。換句話說(shuō)，系統(tǒng)負(fù)載電流直接從編程充電電流中減去并降低電池電流。如果系統(tǒng)負(fù)載超過(guò)編程的充電電流，則電池只需提供所需的額外電流。

圖4.簡(jiǎn)化的 LTC4015 電池供電拓?fù)洹?/strong>