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多种化学电池充电器支持用于太阳能电池板最大功率点跟踪

时间:2017-12-25 来源:ADI 公司

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。

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检测电阻器 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 工作原理的一个主要部分,将在下一节详细讨论。

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。如果 VIN > VCSP (电池电压),则理想二极管 MN1 把 VIN 连接至 VSYS,而假如 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),并保证可向系统提供电能,即使在来自 VIN 的功率不足或缺失的情况下也不例外。

当可提供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,重要的是应注意到,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 – 如果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提供的水平,则 VSYS 必须降至电池电压,以便由电池提供补充功率。

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

这一点对于 MPPT 运作是很重要。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,如果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,倘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,假如充电电流减小至零,那么 LTC4015 将失去其进一步影响输入电流或输入电压的能力。需要更详细地研究 LTC4015 MPPT 的工作原理,以了解这些问题至关紧要的原因。

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连续的局部抖动,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。全局搜索是确保连续抖动算法未被困在某个局部最大功率点 (而应该是固定在全局最大功率点) 所必需的。视太阳能电池板具体构造的不同,这有可能出现在部分遮荫的情况下。

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,从而避免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,并谨慎地避免把 VIN 拉至低于 UVLO 或 VIN_DUVLO (差分欠压闭锁) 门限。如果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 (大约每秒一次) 来跟踪最大功率的小幅变化。LTC4015 周期性地 (大约每 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。

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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。如果新的充电电流大于前一个测量值,则 VIN_UVCL_SETTING 以大约每秒一次的速率继续递增,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 UVCLFB MPPT 电阻分压器值)。在相反的方向,VIN_UVCL_SETTING以大约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,以试图最大限度增加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,如果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。这最大限度增加了停留在最高功率设定值的时间。同样,假如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。持续监视下的另一个标准为 LTC4015 是否确实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)。对于 MPPT 应用,建议把输入电流限值 (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,如果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。如果出于某种异常原因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,对于 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 读数中的噪声变得明显,而且抖动有可能导致不稳定的运行。

更低的可用功率

如果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:对于 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% 的电压产生最大功率,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

视具体应用条件的不同,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。

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图 3:LTC4015 PowerPath 架构

如果系统负载增加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 传导电流以支持增加的负载。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产生最大功率,但是在大多数应用中,这不应该是一个严重关切的问题。

太阳能电池板的尺寸应按这样的标准来确定,即:平均来说,其功率容量大于平均负载功率。如果不满足该条件,则电池将不充电。因此,图 3 所描绘的情形不应该是常见的。

此外,任何与 LTC4015 配对使用的太阳能电池板还具有一个 <40V 的开路电压,以避免违反 LTC4015 的绝对最大额定规格。许多符合该要求的市售太阳能电池板具有一个约 17V 的最大电源电压。当给一个 12V 铅酸电池、一个 3S锂离子电池组 (~11.7V)、或者一个 4S 锂离子电池或磷酸铁锂电池 (分别为 ~15.6V 和 14V) 充电时,太阳能电池板将很可能仍然工作在高于其最大功率之 75% 或 80% 的水平。换言之,即使太阳能电池板最大电源电压与电池电压之间的差异相对较小,性能也不会受到明显的影响。对于最大电源电压不是 17V 的太阳能电池板,同样的逻辑也适用。如果最大电源电压相对接近于典型电池电压,则系统负载超过太阳能电池板电流的短暂时段将不会对性能产生显著的影响。然而,假如这种情形仍然是一个顾虑,那么有一款相应的解决方案。

电池馈电拓扑

为了确保 LTC4015 能够始终保持对太阳能电池板功率的全面控制,必需移动系统负载的连接。图 4 给出了该拓扑的简化示意图,其可被称为「电池馈电拓扑」。该配置强制负载和电池共享编程充电电流。换句话说,系统负载电流直接从编程充电电流中扣除,因而减小了电池电流。倘若系统负载超过了编程充电电流,则电池仅仅提供所需的额外电流。

该拓扑的优点是实现了电池电流与系统负载电流组合的最大化。换言之,LTC4015 最大限度增加了总输出功率。由于输入 PowerPath 仅给开关稳压器馈送电流,因此 LTC4015 完全控制着输入电流。因为在该配置中 LTC4015 输出负责给电池充电和为负载供电,所以它会把输出功率降至零。在这种情况下,负载处于由电池给予供电支持的状态。

不过,电池馈电拓扑的确存在折衷,即:

· LTC4015 的库仑计数器功能严重受损,因为 LTC4015 不能把电池电流和系统负载电流区分开来。这种对区分两种电流的无能为力有着其他的后果。编程充电电流不再是固定的电池充电电流。相反,电池充电电流随着系统负载而变化。当充电时,数字遥测系统将能够监视和报告系统负载电流与电池电流之和,但是在 “仅靠电池供电” (无输入电源) 的操作中将不能提供电流读数。

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图 4:简化的 LTC4015 电池馈电拓扑

· 另外,电池馈电拓扑还会影响终止算法,特别是基于电流的 C/x 终止。与那种当电池电流降至某个设定门限以下时终止的方法不同,LTC4015 充电算法在负载电流与电池电流的组合降至低于该门限时终止。如果充电周期将终止,则所有的负载电流都将从电池吸取,直到一个再充电周期开始为止。

· 最后,理想二极管“合路”PowerPath 拓扑 (图 1) 在输入电压可用时立刻给系统供电,即使电池严重放电也不例外。在图 4 所示的电池馈电拓扑中,输入电源将必需把电池充电至一个高于最小系统电压的电压,之后系统才能运作。

这最后一个缺点的必然结果是:电池必须要能够始终提供满负载电流。由于 MPPT 算法和电池串联电阻 (BSR) 算法将短暂和周期性地停用开关稳压器,因此电池必须要能够在这些时段里为系统满负载供电。这一点在为化学锂离子电池供电时是特别至关紧要。LTC4015 锂离子电池充电算法包括一个预充电阶段。如果某个系统负载能够把电池放电至低于预充电门限,而且这个负载超过了预充电电流,那么即使在输入电源接入的情况下电池电量也将有可能被耗尽。这可能会永久性地损坏电池。

由于存在上述缺点,因此在决定是选择标准的二极管“合路”拓扑还是电池馈电拓扑时应给予谨慎仔细的考虑。

MPPT 和低输入功率

尽管拥有其谨慎设计的 MPPT 算法 (包括上述的特殊极端事例) 和在不同拓扑中运作的能力,但是有一种情形是 LTC4015 不能实现太阳能电池板输出最大化的 (这与拓扑无关)。

LTC4015 电池充电器功能的运行有一个最小电流量要求,该最小电流量的变化取决于应用 (开关 MOSFET 的选择、补偿,等等)。如果可从太阳能电池板获得的最大输入电流高于 2mA 至 3mA、但是低于运作充电器所需的最小电流水平 (大约在 5mA 至 20mA 的范围内),则电池实际上可能被充电器轻微放电。

在这些条件下,例如:光照非常昏暗、但不是完全黑暗的太阳能电池板,最坏情况电池漏电流通常小于 10mA。只要可用输入电流处于所述的范围内,这种情况就会持续。如果可用输入电流降至更低,则电池放电恢复至接近正常「仅靠电池供电模式」的水平,详见产品手册。

对于典型的太阳能电池板应用,这种情况通常是短暂和不常见的,无需采取缓解措施。例如,在日出之前和日落之后的一小段时间里有可能导致一些额外的电池消耗。不过,如在产品手册中所述,假如这种情况是一个顾虑,则可通过每当电池充电电流降至低于全标度的 1% (IBAT ≤ 218) 时停用充电器 (设定 suspend_charger = 1) 和周期性地 (比如,每 60 秒一次) 写入 suspend_charger = 0 以执行重试操作来对其加以缓解。任选地,也可把这种重试操作限制为仅当 VIN 高于某个已知门限时才执行。

结论

LTC4015 能够充当电池供电型应用的电源管理支柱,而且当太阳能电池板是输入电源时,它特别擅长于给电池充电和为负载提供供电支持。由于具有集成的理想二极管 “合路” 控制器以及测量和调节输入电流、电池电流、输入电压和输出电压的能力,因而使得该器件能保持高的电池充电性能和针对太阳能电池板输入电源的最大功率点跟踪功能。

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