LTC4015是一款通用的同步降壓型充電器，可支持包括鉛酸、鋰離子和磷酸鐵鋰(LiFepO4)在內(nèi)的多種化學電池。LTC4015擁有大量的電池充電功能，包括庫侖計數(shù)以及多種電池和系統(tǒng)監(jiān)視能力。不過，本文將著重闡述其可實現(xiàn)太陽能電池板最大功率點跟蹤(MppT)功能的輸入控制環(huán)路。

器件的基本工作原理

LTC4015采用一個驅(qū)動MN2和MN3的峰值電流模式同步降壓型控制器給電池充電(見圖1)。該控制器能調(diào)節(jié)4個參數(shù)：輸入電壓(采用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)。峰值電感器電流控制和電池充電電流調(diào)節(jié)均利用檢測電阻器RSNSB完成。除了這兩種功能之外，RSNSB還使LTC4015能監(jiān)視電池充電和放電電流、電池ESR和電池庫侖計數(shù)。輸入電壓調(diào)節(jié)是MppT工作原理的一個重要部分，將在下一節(jié)詳細討論。

LTC4015采用一種理想二極管合路powerpath架構，以實現(xiàn)輸入電源和電池至系統(tǒng)負載的無縫連接。假如VINVCSp(電池電壓)，則理想二極管MN1把VIN連接至VSYS，而假如VCSpVIN，則Mp1把電池連接至VSYS。除了從VIN給系統(tǒng)供電之外，兩個二極管控制器還和充電器一起工作，以從電池給系統(tǒng)供電(沒有反向驅(qū)動VIN)，并保證可向系統(tǒng)供應電能，即使在來自VIN的功率不足或缺失的情況下也不例外。

當可供應給開關充電器的功率由于編程輸入電流限制(輸入電流調(diào)節(jié))或輸入欠壓限制(輸入電壓調(diào)節(jié))電路運行而受限時，充電電流將自動減小以確定系統(tǒng)負載的供電優(yōu)先級。然而，重要的是應注意到，LTC4015僅限制充電電流，但是并不限制從輸入傳遞至系統(tǒng)負載的電流–假如在充電電流減小至零之后，單是系統(tǒng)負載所需的功率就超過了輸入可供應的水平，則VSYS必須降至電池電壓，以便由電池供應補充功率。

圖1：簡化的LTC4015應用電路拓撲(不一定專為太陽能電池板輸入進行了優(yōu)化)

這一點關于MppT運作是很重要。LTC4015有效地運用了其操控充電電流以調(diào)節(jié)輸入電流和輸入電壓的能力。換句話說，假如輸入電壓的降幅足夠大以至于UVCLFB引腳電壓降至低于其DAC設定的伺服電壓，則減小充電電流以試圖保持該輸入電壓電平。同樣，倘若輸入電流開始超過DAC設定的輸入電流限值，則減小充電電流以期維持該輸入電流水平。然而，假如充電電流減小至零，那么LTC4015將失去其進一步影響輸入電流或輸入電壓的能力。要更詳細地研究LTC4015MppT的工作原理，以了解這些問題至關緊要的原因。

MppT工作原理

LTC4015最大功率點跟蹤算法執(zhí)行周期性的全局搜索以及持續(xù)的局部抖動，以確保給系統(tǒng)供電的太陽能電池板處于其峰值功率運行狀態(tài)。全局搜索是確保持續(xù)抖動算法未被困在某個局部最大功率點(而應該是固定在全局最大功率點)所必需的。視太陽能電池板具體構造的不同，這有可能出現(xiàn)在部分遮蔭的情況下。

局部抖動和全局搜索利用了被稱為UVCL(即欠壓電流限制)的LTC4015輸入電壓調(diào)節(jié)功能。UVCL控制環(huán)路在VIN(采用一個VIN分壓器在UVCLFB引腳上觀察)降至一個設定電平(VIN_UVCL_SETTING)時自動地減小充電電流，從而防止阻性或電流限制輸入電源降至過低(例如：低于欠壓閉鎖UVLO門限)。

全局搜索使VIN_UVCL_SETTING以步進的方式通過其整個數(shù)值范圍，并謹慎地防止把VIN拉至低于UVLO或VIN_DUVLO(差分欠壓閉鎖)門限。假如輸入電壓降至電池電壓的約100mV以內(nèi)，則滿足了差分UVLO條件。在每個VIN_UVCL_SETTING電平，測量充電電流。當掃描完成時，LTC4015將使用與最大實測電池充電電流相對應的VIN_UVCL_SETTING值。

由于電池電壓為低阻抗且在整個掃描過程中相對穩(wěn)定，因此最大電池充電電流與最大輸出功率很好地對應。在全局搜索之后，通過使VIN_UVCL_SETTING緩慢地抖動(大約每秒一次)來跟蹤最大功率的小幅變化。LTC4015周期性地(大約每15分鐘一次)執(zhí)行VIN_UVCL_SETTING值新的全局搜索、使用新的最大功率點、并在該點上恢復抖動。圖2示出了后隨局部抖動的典型MppT全局搜索。

圖2：MppT搜索算法

抖動算法以使VIN_UVCL_SETTING遞增一個梯級并測量新的充電電流作為開始。假如新的充電電流大于前一個測量值，則VIN_UVCL_SETTING以大約每秒一次的速率繼續(xù)遞增，直到充電電流減小或VIN_UVCL_SETTING達到全標度為止，抖動方向在這一點上反轉(zhuǎn)。全標度對應于VUVCLFB=1.2V和一個36.5V輸入電壓(采用所需的UVCLFBMppT電阻分壓器值)。在相反的方向，VIN_UVCL_SETTING以大約每秒一次的速率遞減，直到充電電流減小或輸入電壓降至過于接近UVLO門限為止，抖動方向在這一點上再次反轉(zhuǎn)。

MppT特殊考慮因素

雖然MppT的工作原理在多數(shù)條件下都是相當簡單，但是也存在少量一反常態(tài)的情況。LTC4015在這些情況下將跳出基本算法的束縛，以試圖最大限度新增太陽能電池板停留在其真正最大功率點上的時間。

抖動期間充電電流的顯著變化

當LTC4015采用抖動算法時，假如電池充電電流在單個抖動梯級中下降了1%或更多，那么抖動方向在僅7ms(而不是正常的1秒)之后就將反轉(zhuǎn)。這最大限度新增了停留在最高功率設定值的時間。同樣，假如充電電流的逐級變化大于25%，則該算法重復一次全局搜索，而不會等待標準的15分鐘。最大全局搜索重復率為每5分鐘一次。

輸入電流限制設置

如上文提及的那樣，LTC4015在MppT算法執(zhí)行期間監(jiān)視輸入電壓，以確保它未降至低于其中某個UVLO門限。持續(xù)監(jiān)視下的另一個標準為LTC4015是否確實處于采用數(shù)字遙測系統(tǒng)之vin_uvcl_active位的UVCL調(diào)節(jié)狀態(tài)。請記住有4個參數(shù)是可調(diào)的：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)。關于MppT應用，建議把輸入電流限值(IIN_LIMIT_SETTING)設定為大于或等于太陽能電池板的最大短路電流承受能力。這可確保輸入電流調(diào)節(jié)不會干擾MppT電路運作。然而，其他兩個調(diào)節(jié)環(huán)路可以接管控制：充電電壓和充電電流。

可用的電流足夠

在全局搜索或抖動階段中，假如充電電壓或充電電流調(diào)節(jié)所需的電流小于欠壓電流限值UVCL，則意味著太陽能電池板可在該特定VIN_UVCL_SETTING滿足正常充電條件。在該點上，抖動方向發(fā)生反轉(zhuǎn)或全局搜索停止。在全局搜索期間，導致退出UVCL調(diào)節(jié)環(huán)路的VIN_UVCL_SETTING很可能對應于最大充電電流。假如出于某種異常原因它并不對應于最大充電電流，則LTC4015將斜坡回升至對應于最大充電電流的VIN_UVCL_SETTING。

低的可用功率

當由已完成的全局搜索所測量的最大充電電流低于全標度的約5%時，會出現(xiàn)一種特殊場合，此時的全標度對應于RSNSB兩端上的32mV(例如，關于4A充電器為200mA)。在該場合中，LTC4015返回在全局搜索期間發(fā)現(xiàn)的VIN_UVCL_SETTING，但是并不試圖抖動。在該充電電流水平上，個別ADC讀數(shù)中的噪聲變得明顯，而且抖動有可能導致不穩(wěn)定的運行。

更低的可用功率

假如由已完成的全局搜索所測量的最大充電電流更低，小于全標度的約1%(例如：關于4A充電器為40mA，即在RSNSB兩端上僅為320μV)，則LTC4015已經(jīng)幾乎失去了其控制太陽能電池板功率的能力。盡管如此，為實現(xiàn)太陽能電池板輸出功率的最大化做了最后一次嘗試。LTC4015返回一個與當VIN_UVCL_SETTING位于全標度時測量的太陽能電池板開路電壓的70%相對應的VIN_UVCL_SETTING。由于太陽能電池板通常用一個為其開路電壓70%–80%的電壓出現(xiàn)最大功率，而且功率在太陽能電池板電壓降低時緩慢地滾降，因此這是利用最少可用信息實現(xiàn)功率最大化的最佳嘗試。

二極管合路拓撲的潛在問題

視具體應用條件的不同，二極管合路拓撲(見圖1)可以實現(xiàn)太陽能電池板功率的次優(yōu)利用。考慮一下圖3所示的簡化LTC4015電源通路(powerpath)架構。

圖3：LTC4015powerpath架構

假如系統(tǒng)負載新增至超過了太陽能電池板的電流供應能力，則兩個理想二極管控制器都將接通，而且MN1和Mp1傳導電流以支持新增的負載。太陽能電池板輸出電壓驟降至系統(tǒng)負載電壓，后者驟降至電池電壓。

采用與電池電壓相等的太陽能電池板電壓工作不可能出現(xiàn)最大功率，但是在大多數(shù)應用中，這不應該是一個嚴重關切的問題。

太陽能電池板的尺寸應按這樣的標準來確定，即：平均來說，其功率容量大于平均負載功率。假如不滿足該條件，則電池將不充電。因此，圖3所描繪的情形不應該是常見的。

此外，任何與LTC4015配對使用的太陽能電池板還具有一個40V的開路電壓，以防止違反LTC4015的絕對最大額定規(guī)格。許多符合該要求的市售太陽能電池板具有一個約17V的最大電源電壓。當給一個12V鉛酸電池、一個3S鋰離子電池組(~11.7V)、或者一個4S鋰離子電池或磷酸鐵鋰離子電池(分別為~15.6V和14V)充電時，太陽能電池板將很可能仍然工作在高于其最大功率之75%或80%的水平。換言之，即使太陽能電池板最大電源電壓與電池電壓之間的差異相對較小，性能也不會受到明顯的影響。關于最大電源電壓不是17V的太陽能電池板，同樣的邏輯也適用。假如最大電源電壓相對接近于典型電池電壓，則系統(tǒng)負載超過太陽能電池板電流的短暫時段將不會對性能出現(xiàn)顯著的影響。然而，假如這種情形仍然是一個顧慮，那么有一款相應的解決方法。

電池饋電拓撲

為了確保LTC4015能夠始終保持對太陽能電池板功率的全面控制，必需移動系統(tǒng)負載的連接。圖4給出了該拓撲的簡化示意圖，其可被稱為「電池饋電拓撲」。該配置強制負載和電池共享編程充電電流。換句話說，系統(tǒng)負載電流直接從編程充電電流中扣除，因而減小了電池電流。倘若系統(tǒng)負載超過了編程充電電流，則電池僅僅供應所需的額外電流。

該拓撲的優(yōu)點是實現(xiàn)了電池電流與系統(tǒng)負載電流組合的最大化。換言之，LTC4015最大限度新增了總輸出功率。由于輸入powerpath僅給開關穩(wěn)壓器饋送電流，因此LTC4015完全控制著輸入電流。因為在該配置中LTC4015輸出負責給電池充電和為負載供電，所以它會把輸出功率降至零。在這種情況下，負載處于由電池給予供電支持的狀態(tài)。

不過，電池饋電拓撲的確存在折衷，即：

LTC4015的庫侖計數(shù)器功能嚴重受損，因為LTC4015不能把電池電流和系統(tǒng)負載電流區(qū)分開來。這種對區(qū)分兩種電流的無能為力有著其他的后果。編程充電電流不再是固定的電池充電電流。相反，電池充電電流隨著系統(tǒng)負載而變化。當充電時，數(shù)字遙測系統(tǒng)將能夠監(jiān)視和報告系統(tǒng)負載電流與電池電流之和，但是在僅靠電池供電(無輸入電源)的操作中將不能供應電流讀數(shù)。

圖4：簡化的LTC4015電池饋電拓撲

另外，電池饋電拓撲還會影響終止算法，特別是基于電流的C/x終止。與那種當電池電流降至某個設定門限以下時終止的方法不同，LTC4015充電算法在負載電流與電池電流的組合降至低于該門限時終止。假如充電周期將終止，則所有的負載電流都將從電池吸取，直到一個再充電周期開始為止。

最后，理想二極管合路powerpath拓撲(圖1)在輸入電壓可用時立刻給系統(tǒng)供電，即使電池嚴重放電也不例外。在圖4所示的電池饋電拓撲中，輸入電源將必需把電池充電至一個高于最小系統(tǒng)電壓的電壓，之后系統(tǒng)才能運作。

這最后一個缺點的必然結(jié)果是：電池必須要能夠始終供應滿負載電流。由于MppT算法和電池串聯(lián)電阻(BSR)算法將短暫和周期性地停用開關穩(wěn)壓器，因此電池必須要能夠在這些時段里為系統(tǒng)滿負載供電。這一點在為化學鋰離子電池供電時是特別至關緊要。LTC4015鋰離子電池充電算法包括一個預充電階段。假如某個系統(tǒng)負載能夠把電池放電至低于預充電門限，而且這個負載超過了預充電電流，那么即使在輸入電源接入的情況下電池電量也將有可能被耗盡。這可能會永久性地損壞電池。

由于存在上述缺點，因此在決定是選擇標準的二極管合路拓撲還是電池饋電拓撲時應給予謹慎仔細的考慮。

MppT和低輸入功率

盡管擁有其謹慎設計的MppT算法(包括上述的特殊極端事例)和在不同拓撲中運作的能力，但是有一種情形是LTC4015不能實現(xiàn)太陽能電池板輸出最大化的(這與拓撲無關)。

LTC4015電池充電器功能的運行有一個最小電流量要求，該最小電流量的變化取決于應用(開關MOSFET的選擇、補償，等等)。假如可從太陽能電池板獲得的最大輸入電流高于2mA至3mA、但是低于運作充電器所需的最小電流水平(大約在5mA至20mA的范圍內(nèi))，則電池實際上可能被充電器輕微放電。

在這些條件下，例如：光照非常昏暗、但不是完全黑暗的太陽能電池板，最壞情況電池漏電流通常小于10mA。只要可用輸入電流處于所述的范圍內(nèi)，這種情況就會持續(xù)。假如可用輸入電流降至更低，則電池放電恢復至接近正常「僅靠電池供電模式」的水平，詳見產(chǎn)品手冊。

關于典型的太陽能電池板應用，這種情況通常是短暫和不常見的，無需采取緩解措施。例如，在日出之前和日落之后的一小段時間里有可能導致一些額外的電池消耗。不過，如在產(chǎn)品手冊中所述，假如這種情況是一個顧慮，則可通過每當電池充電電流降至低于全標度的1%(IBAT≤218)時停用充電器(設定suspend_charger=1)和周期性地(比如，每60秒一次)寫入suspend_charger=0以執(zhí)行重試操作來對其加以緩解。任選地，也可把這種重試操作限制為僅當VIN高于某個已知門限時才執(zhí)行。

結(jié)論

LTC4015能夠充當電池供電型應用的電源管理支柱，而且當太陽能電池板是輸入電源時，它特別擅長于給電池充電和為負載供應供電支持。由于具有集成的理想二極管合路控制器以及測量和調(diào)節(jié)輸入電流、電池電流、輸入電壓和輸出電壓的能力，因而使得該器件能保持高的電池充電性能和針對太陽能電池板輸入電源的最大功率點跟蹤功能。