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(xué)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。

對于那些尚未接觸過 MPPT 基本概念、或可以使用知識更新的讀者，請登錄 www.linear.com.cn/solutions/4545。不管您具備多少 MPPT 常識，要理解 LTC4015 的實現(xiàn)方案，就必需弄懂 LTC4015 的多控制環(huán)路工作原理，這一點是很重要。

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 R_SNSB 完成。除了這兩種功能之外，R_SNSB 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 工作原理的一個主要部分，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(gòu)，以實現(xiàn)輸入電源和電池至系統(tǒng)負載的無縫連接。如果 V_IN > V_CSP (電池電壓)，則理想二極管 MN1 把 V_IN 連接至 V_SYS，而假如 V_CSP > V_IN，則 MP1 把電池連接至 V_SYS。除了從 V_IN 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 V_IN)，并保證可向系統(tǒng)提供電能，即使在來自 V_IN 的功率不足或缺失的情況下也不例外。

當(dāng)可提供給開關(guān)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(yīng)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 – 如果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提供的水平，則 V_SYS 必須降至電池電壓，以便由電池提供補充功率。

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

這一點對于 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，如果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(shè)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(shè)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。需要更詳細地研究 LTC4015 MPPT 的工作原理，以了解這些問題至關(guān)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連續(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)。全局搜索是確保連續(xù)抖動算法未被困在某個局部最大功率點 (而應(yīng)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(gòu)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 V_IN (采用一個 V_IN 分壓器在 UVCLFB 引腳上觀察) 降至一個設(shè)定電平 (VIN_UVCL_SETTING) 時自動地減小充電電流，從而避免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，并謹慎地避免把 V_IN 拉至低于 UVLO 或 V_{IN_DUVLO} (差分欠壓閉鎖) 門限。如果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(dāng)掃描完成時，LTC4015 將使用與最大實測電池充電電流相對應(yīng)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(yīng)。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(fù)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。如果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(yīng)于 V_UVCLFB = 1.2V 和一個 36.5V 輸入電壓 (采用所需的 UVCLFB MPPT 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(dāng)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，以試圖最大限度增加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(dāng) LTC4015 采用抖動算法時，如果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)。這最大限度增加了停留在最高功率設(shè)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(fù)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(fù)率為每 5 分鐘一次。

輸入電流限制設(shè)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)。對于 MPPT 應(yīng)用，建議把輸入電流限值 (IIN_LIMIT_SETTING) 設(shè)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，如果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(dǎo)致退出 UVCL 調(diào)節(jié)環(huán)路的 VIN_UVCL_SETTING 很可能對應(yīng)于最大充電電流。如果出于某種異常原因它并不對應(yīng)于最大充電電流，則 LTC4015 將斜坡回升至對應(yīng)于最大充電電流的 VIN_UVCL_SETTING。

低的可用功率

當(dāng)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(yīng)于 R_SNSB 兩端上的 32mV (例如，對于 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(dǎo)致不穩(wěn)定的運行。

更低的可用功率

如果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：對于 4A 充電器為 40mA，即在 R_SNSB 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(dāng) 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(yīng)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% 的電壓產(chǎn)生最大功率，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(yīng)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(gòu)。

圖 3：LTC4015 PowerPath 架構(gòu)

如果系統(tǒng)負載增加至超過了太陽能電池板的電流供應(yīng)能力，則兩個理想二極管控制器都將接通，而且 MN1 和 MP1 傳導(dǎo)電流以支持增加的負載。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產(chǎn)生最大功率，但是在大多數(shù)應(yīng)用中，這不應(yīng)該是一個嚴重關(guān)切的問題。

太陽能電池板的尺寸應(yīng)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。如果不滿足該條件，則電池將不充電。因此，圖 3 所描繪的情形不應(yīng)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，以避免違反 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