采用LT8611和AD5245的高效太陽能MPPT電池充電器

使用幾瓦范圍內的太陽能電池板的戶外應用通常使用基于微控制器的MPPT（最大功率點跟蹤）功能來提取整個環境工作條件下的最大可用功率。許多基于微控制器的MPPT解決方案設計用于20W至500W，消耗約20-100mW的功率，同時不斷抖動太陽能電池板的工作電壓，以仔細跟蹤最大功率點。對于 20W 至 500W 的面板，這種經過驗證的技術效果很好，因為與有效的 MPPT 算法收集的額外能量相比，MPPT 電路消耗的能量微不足道。

然而，對于使用1W面板的應用，太陽能電池板在冬季的大部分時間或大部分安裝中可能只有100mW可用。像這樣的應用將從太陽能電池充電器中受益匪淺，太陽能電池充電器在最大功率點下操作面板所需的靜態電流要小得多。一個例子可能是太陽能傳感器，它可以更頻繁地報告，或者現在可以在不更換電池的情況下運行更長時間。另一個例子是商業太陽能照明，現在可以在更不利的照明條件下運行或減小面板尺寸。

LT8611 具有電流檢測和 2.5μA 靜態電流的 42V、2.5A 同步降壓型穩壓器可在極寬的充電電流范圍內提供非常高效率的電源轉換，這對于許多本質上是機會主義的太陽能供電電池充電器至關重要。LT8611 具有輸出電壓和輸出電流調節環路，可用于在電池充電器中提供 CC 和 CV 功能。本文介紹了LT8611如何與AD5245數字電位計和外部微控制器配合使用，以設計微功耗太陽能MPPT電池充電器，該充電器可在從弱光條件到全日照的所有面板條件下保持高效率，充電電流高達2.5A。軟件開發是實現此解決方案所必需的。假設讀者希望開發或調整自己的MPPT算法以在外部微控制器上運行。

本文中使用的術語MPPT和MPPC之前已在以下文章中討論過：

最大化太陽能電池板功率輸出的技術

80V 降壓-升壓鉛酸和鋰電池充電控制器在太陽能應用中主動找到真正的最大功率點

MPPC（取決于巴蒂電壓）

要開始討論如何利用LT8611啟用MPPT功能，讓我們從LT8611數據手冊中的4.1V/1A CCCV鋰離子電池充電器示例電路開始：

圖1.LT8611 CCCV 電池充電器

例如，考慮當一個Vmp為9V的光線充足的1W太陽能電池板連接到該電路和一個處于3.8V的鋰離子電池時會發生什么。啟用時，LT8611 將嘗試將輸出電壓提升至 4.1V，最大電流為 1A。由于 1W 面板無法提供此功率電平，因此面板電壓將被拖到面板的 Vmp 以下，略高于電池電壓加上二極管 D1 的 VF。

該電路將增加輸入電壓調節，以便LT8611將降低電池充電電流并將太陽能電池板的工作電壓維持在其最大功率點。作為第一步，考慮當我們從輸入電壓添加一個電阻分壓器并將中點饋送到LT8611的TR/SS引腳時會發生什么，如下所示：

圖2.LT8611 具有輸入電壓調節功能的 CCCV 電池充電器

LT8611 的輸出誤差放大器具有一個內部 970mV 基準，該電路的輸出分壓器比的尺寸使得當電池達到 4.1V 時，FB 引腳將達到 970mV。當電池電壓為3.8V時，由于輸出電壓分壓器，FB引腳上的電壓將為900mV。LT8611 的跟蹤功能的工作原理是，如果 TR/SS 引腳被驅動至低于 970mV，則 FB 引腳將被調節至一個等于 TR/SS 電壓的電壓。如果該輸入電阻分壓器比的尺寸使得當面板電壓處于其最大功率點 9V 時 TR/SS 為 900mV，則 LT8611 跟蹤功能將降低輸出電壓 （從而降低電池充電電流），以在電池處于 3.8V 時保持 9V 的輸入電壓。此時，電路具有與電池電壓相關的輸入調節或MPPC環路，這不是很有用。要使微控制器運行太陽能電池板MPPT掃描，它必須控制輸入調節電壓。

MPPT

輸入電壓的調整可以以類似于調節穩壓器輸出的方式實現。這通常是通過使用連接到誤差放大器輸入（在本例中為 TR/SS 引腳）的控制電壓和串聯電阻來實現的?？刂齐妷阂部梢允褂梦⒖刂破骰?a href="http://www.qd573.com/tags/dac/" target="_blank">DAC的濾波PWM輸出來實現。PWM或DAC選項可以提供硬件簡單性和最低成本，因為這些特性通常包含在許多微控制器中。

然而，這些功能在微控制器的最低功耗狀態下通常不可用，通常消耗約1mW。如果1mW的功率損耗對應用不大，這可能是最合適的技術，因為PWM控制已被證明在該電路中工作得相當好。為了節省1mW的功率損耗并減少掃描太陽能電池板工作范圍所需的時間，可以使用數字電位計。

這AD5245 256 位置 I2C 兼容數字電位器其VDD電源僅消耗幾微安培，可用值高達100kΩ。如果我們將輸入分壓器中的頂部電阻調整為309kΩ，并在變阻器配置中使用AD5245以及底部分壓器中的串聯6.2kΩ電阻，則可以通過I將輸入電壓調節目標從4.5V調整為4.5V至40V。2C，同時消耗很少的額外功率（見下面的圖3）。一旦AD5245被編程為以最大功率點運行面板，微控制器就可以進入低功耗休眠模式。除了微控制器的睡眠電流（通常低于 10μA）外，沒有額外的電流消耗。

為了運行MPPT掃描，AD5245代碼從高電阻步進到低電阻，以在低至4.5V的開路電壓下工作面板，而LT8611的IMON輸出由ADC監控以跟蹤電池充電電流。產生最大電池充電電流的AD5245代碼用作組合太陽能電池板和充電電路的最大工作點。一旦AD5245代碼設置為在最大功率點工作面板，微控制器將進入低功耗狀態。

讓我們考慮一下 MPPT 掃描之間會發生什么，MPPT 掃描通常計劃以 15 分鐘的間隔運行一次。對于太陽輻照度相對較快的變化，例如通過云層覆蓋，沒有微控制器的參與。輸入分壓器和LT8611跟蹤功能將繼續以最大功率點運行面板，而電池充電電流將隨太陽輻照度而變化。

所有電池都有一些小的內部阻抗，電池充電器和電池之間會有一些小阻抗。該組合阻抗通常小于 100mΩ，但由于電池充電電流的相應變化，在通過云層期間，LT8611 輸出電壓會略有變化。電池電壓的這些變化反映在LT8611 FB引腳上。由于LT8611跟蹤功能會將FB引腳調節到與TR/SS引腳相同的電壓，因此太陽能電池板的工作電壓將隨著太陽輻照度而略有增加。這往往有利于MPP跟蹤效果，因為太陽能電池板最大功率點電壓隨著太陽輻照度的增加而略有增加。

在較長時間內，電池將充電。如果不更新AD5245代碼，電池電壓的相應增加將增加太陽能電池板的調節電壓。微處理器需要定期運行MPPT掃描，并相應地調整AD5245，以便在電池充電時保持最佳面板電壓。

微控制器LT8611、AD5245和LTC4412的完整原理圖如下：

圖3.MCU 控制的 LT8611 MPPT 太陽能電池充電器

一個2.6V箝位用于保護LT8611 TR/SS引腳，該引腳具有4V ABS最大額定值，使AD5245游標引腳保持在由電池供電的VDD引腳下方。通過使用采用 ThinSOT 封裝的 LTC4412 低損耗 PowerPath 控制器作為理想二極管控制器，可以消除圖 2 中 D1 的 VF 壓降。通過在 LT8611 的輸出上使用 LTC4412，可在沒有太陽能可用時將電池消耗降至最低。

這里特意省略了一些實現細節，以簡化上述原理圖，并使討論相對較短。但是，對于某些應用程序，可能會有一些進一步的增強功能。例如，利用MCU將LT8611 SYNC引腳驅動為高電平或低電平，以便在MPPT掃描期間在整個輸出電流范圍內保持IMON輸出處于活動狀態，并在掃描完成后將其切換回以保持最高效率，這是很有幫助的。此外，該電路能夠以非常低的功率水平操作面板。在非常低的功率水平下，在運行面板掃描時很難測量IMON輸出中的峰值。在這種情況下，采用MPPT算法通常在MPPT掃描期間讀取面板電壓和IMON輸出是最有益的。如果未找到IMON輸出峰值，則MCU可以將AD5245代碼設置為在開路面板電壓的某個預定比率的電壓下操作太陽能電池板的值。最后一種技術并不少見，在低功耗MPPT算法中非常有效。

結論

在功耗非常低的情況下，自執行 MPPT 掃描能量以來，增加 MPPT 掃描間隔是有益的。要確定MPPT掃描是否值得運行，不僅要了解實時充電電流，還要跟蹤自上次掃描以來累積的電荷量，這可能會有所幫助。具有溫度、電壓測量功能的 LTC2942 電池電量計可用于通過 I 跟蹤累積電荷2C并確定算法的有效性。它還使MCU能夠動態平衡功耗和累積電荷。LTC?2942 是一款準確且功率非常低的氣體表，在累積電荷時僅消耗 70uA 電流。LTC2942 還具有一種停機模式，該模式可在不使用時使用。對于較高的電池電壓，可以使用具有溫度、電壓和電流測量功能的 LTC2943 多節電池電量計和具有溫度、電壓和電流測量功能的 LTC2944 60V 電池電量計。對于更高的充電電流，我們的 LT8613 具有電流檢測和 3μA 靜態電流的 LT8613 42V 同步降壓型穩壓器可在高達 6A 的電流下使用。

審核編輯：郭婷