摘要： 基于太陽能充電器需求的不斷增加，采用LT3652電池充電管理芯片設(shè)計(jì)了一種多功能太陽能充電器。在詳細(xì)介紹LT3652 輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路及該芯片的其他功能的基礎(chǔ)上，針對設(shè)計(jì)過程中涉及的元器件選型，PCB布線注意事項(xiàng)作了詳細(xì)介紹。同時(shí)對如何設(shè)計(jì)更具有生命力和適應(yīng)性的充電器產(chǎn)品給出了建議。本方案的太陽能充電器可實(shí)現(xiàn)對光伏電池的峰值功率跟蹤，使充電效率化，同時(shí)也減少光伏電池使用量。該太陽能充電器具有很高的浮充電壓，可滿足對充電電壓要求嚴(yán)苛的充電設(shè)備的充電需求。

　　太陽能作為一種的綠色清潔能源，在越來越多的場合中得以應(yīng)用，如太陽能路燈、太陽能航海浮標(biāo)以及諸如手機(jī)、GPS 導(dǎo)航儀、相機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的戶外充電。一般采用光伏電池作為光電轉(zhuǎn)換器件，并將電能存儲(chǔ)在充電電池中供這些設(shè)備使用。光伏電池的內(nèi)部構(gòu)造決定其效率有限，目前商用單晶硅電池效率為13%~18%;加之其造價(jià)較高，因此從光伏電池中抽取功率減少其使用量，并實(shí)現(xiàn)蓄電設(shè)備的高效快速充電成為太陽能充電器的設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用峰值功率跟蹤（MPPT）的方法可實(shí)現(xiàn)從光伏電池中抽取功率。

　　1 LT3652 介紹

　　對于單晶硅光伏電池，其功率點(diǎn)發(fā)生在每條V-I 曲線的拐點(diǎn)處。盡管不同光照強(qiáng)度下光伏電池的峰值功率點(diǎn)不同，但各個(gè)峰值功率點(diǎn)對應(yīng)的輸出電壓基本保持不變，如圖1 所示。此電壓稱為峰值功率電壓，以V_P（MAX）表示。為使光伏電池工作在功率輸出點(diǎn)，充電器需將其輸出電壓保持在V _P（MAX）附近。本設(shè)計(jì)采用凌力爾特公司生產(chǎn)的LT3652 作為充電管理芯片。該芯片采用一種特殊的輸入電壓調(diào)整環(huán)路，當(dāng)使用太陽能電池板作為輸入電源時(shí)，當(dāng)光伏電池板輸出電壓降低到某一設(shè)定值，LT3652 就會(huì)自動(dòng)降低充電電流，使光伏電池板保持在峰值功率輸出點(diǎn)。

圖1 單晶硅光伏電池輸出特性曲線

　　1.1 LT3652 充電管理芯片功能介紹

　　LT3652 支持多種化學(xué)組分的電池，是一種中等功率的單片降壓式充電管理芯片，采用平均電流模式降壓式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。特殊的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路可以通過電阻分壓器方便設(shè)定輸入電壓。

　　LT3652 可設(shè)置充電電流高達(dá)2 A,其內(nèi)部恒定頻率為1 MHz 的高頻開關(guān)，可提高充電效率。芯片具有從4.95~32 V寬輸入電壓范圍，其浮充電壓V _{BAT（FLOAT）}可由電阻分壓器方便設(shè)置，可達(dá)14.4 V,滿足絕大多數(shù)充電電池的充電需求。

　　精密的門限關(guān)斷引腳支持欠壓鎖定功能。兩個(gè)OC 門引腳,灌電流高達(dá)10 mA,可驅(qū)動(dòng)LED 以標(biāo)識充電器的充電或故障狀態(tài)。該芯片還具有電池溫度監(jiān)視、壞電池檢測以及自動(dòng)充電功能。

　　在電池充電期間， 當(dāng)芯片檢測到電池電壓低于0.7 倍的V _{BAT（FLOAT）}時(shí)，充電器自動(dòng)進(jìn)入預(yù)置充電模式。此模式下，充電器為電池涓流充電， 充電電流為充電電流I _{CHRG（MAX）}的15%.當(dāng)電池電壓升至V _{BAT（FLOAT）}的70%以上時(shí)，充電電流自動(dòng)增大至I _{CHRG（MAX）}。

　　LT3652 提供兩種充電終止模式供選擇：C/10 模式和TIMER 模式。C/10 表示實(shí)際充電電流為充電電流的十分之一。在此模式下，當(dāng)充電電流低于I _{CHRG（MAX）}的十分之一（C/10）時(shí)，充電器則停止充電。使用TIMER 模式，充電器則可以以低于C/10 的電流為電池充電。當(dāng)一個(gè)充電周期t_EOC結(jié)束時(shí)，若電池充滿，則充電器停止充電，否則將重啟新的充電周期，直至電池充滿。電池充滿的標(biāo)識為電池電壓達(dá)到V _{BAT（FLOAT）}的97.5%以上。在TIMER 模式下，充電器支持壞電池檢測功能。當(dāng)充電器停留在預(yù)置模式的時(shí)間超過t_EOC的1/8 時(shí)，引腳電平被拉低。

　　充電結(jié)束后，LT3652 進(jìn)入低電流待機(jī)模式， 在待機(jī)模式下，芯片仍可管理電池電壓，當(dāng)電池電壓下降到V _{BAT（FLOAT）}的97.5%以下時(shí)，將自動(dòng)為電池充電。

　　1.2 輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路

　　LT3652 的輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路通過電阻分壓器可方便設(shè)定輸入電壓， 并能根據(jù)輸入電壓的大小自動(dòng)調(diào)整充電電流，實(shí)現(xiàn)對太陽能電池板的峰值功率跟蹤。輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路對輸入電壓的有特定的調(diào)節(jié)范圍：V _REG（MIN）~V _REG（MAX）。調(diào)節(jié)范圍由V_IN和V _{IN_REG}之間的電阻分壓器設(shè)置，如圖2（a）所示。

圖2 設(shè)置各門限電壓的電阻分壓器

　　引腳內(nèi)置的基準(zhǔn)電壓范圍為2.67~2.74 V,因此對應(yīng)輸入電壓的調(diào)節(jié)范圍為：

　　如圖3 所示，V _{IN_REG}對R _SENSE上的壓降（V _SENSE-V _BAT）具有控制作用，將圖中V _{IN_REG}控制曲線擬合得：

圖3 V _{IN_REG}對（V _SENSE-V _BAT）的控制曲線

　　當(dāng)V _{IN_REG}引腳電壓在2.67~2.74 V 區(qū)間時(shí)，光伏電池板輸出電壓在相應(yīng)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。對于光伏電池板，光照強(qiáng)度的下降或充電電流需求增大，會(huì)造成其輸出電壓的下降，使之偏離功率輸出點(diǎn)。當(dāng)光伏電池板輸出電壓下降至調(diào)節(jié)范圍內(nèi)某一值VREG時(shí)，（V _SENSE-V _BAT）也將下降。而（V _SENSE-V _BAT）控制充電電流的大小，因此充電電流將減小。因此光伏電池板輸出電壓將沿伏安特性曲線上升， 直至達(dá)到新的峰值功率輸出工作點(diǎn)。也即在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，LT3652 通過控制充電電流使光伏電池板保持峰值功率輸出。

　　當(dāng)光照很強(qiáng)，光伏電池板輸出功率高于充電電路所需時(shí)，V _{IN_REG}引腳電壓將大于2.74 V,（V _SENSE-V _BAT） 上升到值100 mV 并保持不變。光伏電池板的輸出電壓將超出輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的調(diào)節(jié)范圍。此時(shí)充電器進(jìn)入恒流充電模式，充電電流為值I _{CHRG（MAX）} 。

　　當(dāng)光照強(qiáng)度不足以提供充電所需功率，V _{IN_REG}引腳電壓低于2.67 V 時(shí)，充電器將停止充電。

　　2 充電器電路及外圍器件參數(shù)計(jì)算和選型

　　2.1 充電器電路

　　LT3652 具有很高的集成度，僅需很少的外圍器件即可設(shè)計(jì)出功能完善的充電器。本文設(shè)計(jì)的太陽能充電器用于兩節(jié)鋰離子電池的充電，浮充電壓為8.2 V.充電器電路如圖4 所示。該充電器的設(shè)計(jì)方法具有通用性，以下予以簡要介紹，供設(shè)計(jì)者參考。

圖4 2 A 充電電流的鋰離子電池太陽能充電器

　　2.2 外圍器件的參數(shù)計(jì)算及選擇

　　2.2.1 光伏電池板的選擇

　　首先確定所需的光伏電池板，主要參數(shù)包括開路電壓V _OC,峰值功率電壓V _P（MAX）以及峰值功率電流I _P（MAX） 。V _OC為3.3 V加上在2 節(jié)電池浮充電壓之上D1 的正向壓降；V _P（MAX）為0.75 V 加上在浮充電壓之上D1 的正向壓降。兩者均預(yù)留15%的余量，保證低光照強(qiáng)度下的正常啟動(dòng)和運(yùn)行。I_P（MAX）由V _{BAT（FLOAT）}，V _P（MAX），I _{CHRG（MAX）}以及充電器效率η 確定。公式如下所示：

　　兩節(jié)鋰離子電池的浮充電壓為8.2 V, 肖特基二極管選用MBRS340,正向壓降V _F（D1）為0.5 V,充電器效率一般取η=0.85.由以上各式得光伏電池板的要求為：V_OC=13.8 V;V_P（MAX）=10.9 V; I _P（MAX） =1.8 A。

　　2.2.2 電流傳感電阻

　　電流傳感電阻R_SENSE由其上壓降100 mV 與充電電流之比確定：

　　2.2.3 輸入電壓調(diào)節(jié)電阻分壓器

　　輸入電壓調(diào)節(jié)電阻分壓器R_IN1和R_IN2如圖2 （c） 所示，V _{IN_REG}引腳內(nèi)置參考電壓取2.74 V.取R _IN2=100 kΩ，則：

　　取R_IN1=280 kΩ，光伏電池板峰值功率追蹤電壓的控制范圍：

　　2.2.4 輸出反饋電壓電阻分壓器

　　V _FB電壓分壓電阻器如圖2（b）所示。R _FB1和R _FB2用來設(shè)置電池的浮充電壓V _{BAT （FLOAT）} ， 兩者的戴維寧等效電阻應(yīng)為250 kΩ，以補(bǔ)償V _FB引腳110 nA 的輸入偏置電流。V _{BAT（FLOAT）}對應(yīng)于VFB引腳內(nèi)置的3.3 V 參考電壓。此外，該引腳另一個(gè)內(nèi)置2.3 V 參考電壓， 對應(yīng)于電池進(jìn)入預(yù)置模式的門限電壓V _BAT（PRE） 。

　　分別取R _FB1=919 kΩ；R _FB2=412 kΩ。

　　當(dāng)LT3652 檢測到電池電壓低于V _BAT（PRE）時(shí)，充電器自動(dòng)進(jìn)入預(yù)置充電模式。此模式下， 電池充電電流僅為15%的I _{CHRG（MAX）} ，也即I _BAT（PRE）為0.3 A.電池進(jìn)入預(yù)置充電模式的門限電壓V _BAT（PRE）由下式確定：

　　2.2.5 VSHDN 電阻分壓器

　　VSHDN電阻分壓器如圖2（c）所示。V_SHDN的上升門限電壓為1.2 V±50 mV, 延遲電壓為120 mV.當(dāng)V_IN引腳的電壓為V _REG（MIN）時(shí)，V_SHDN達(dá)到其可能的值，電阻分壓器應(yīng)據(jù)此設(shè)置。取R_SHDN2=100 kΩ，則：

　　取R_SHDN1=787 kΩ。此時(shí)V_SHDN的各門限電壓分別確定如下：

　　1）V_SHDN上升沿門限電壓：V_{SHDN （MIN）}=10.7 V;V_{SHDN （MAX）}=11.6 V.

　　2）V_SHDN下降沿門限電壓：V_{SHDN （MIN）}=9.6V;V_{SHDN （MAX）}=10.5 V.

　　2.2.6 元件的選擇

　　1）電阻

　　RFB1和RFB2用來設(shè)置電池浮充電壓，其會(huì)影響浮充電壓的，選用0.1%的電阻，引入的誤差小于0.154%,選用1%的電阻則引入1.56%的誤差。設(shè)計(jì)中根據(jù)充電電池對浮充電壓的要求來選擇合適的電阻。

　　2）去耦電容

　　V_IN引腳的去耦電容C_IN,選用低ESR 值的高品質(zhì)電容，一般10 μF 可滿足要求。BAT 引腳旁路電容選用10 μF 的陶瓷電容。若直接使用充電器輸出端驅(qū)動(dòng)負(fù)載，還需一個(gè)100 μF 低ESR 值的非陶瓷電容（可選鉭電容或有機(jī)半導(dǎo)體電容）與10 μF 陶瓷電容并聯(lián)接地，以吸收充電器輸出的連續(xù)紋波。SW 和BOOST 引腳間去耦電容選用1 μF的陶瓷電容。光伏電池板輸出端應(yīng)加一個(gè)390 μF 或更大的電容，減少開關(guān)諧波。

　　3）電感

　　根據(jù)電感產(chǎn)生的電流紋波的水平來確定電感值的大小，可依據(jù)下式進(jìn)行選擇。其中ΔI_MAX為紋波電流水平，一般為I _{CHRG（MAX）}的25%~35%,V _IN（MAX）為充電器工作電壓。

　　L=（10 R_SENSE/ΔI_MAX）·V _{BAT（FLOAT）} ·[1-V _{BAT（FLOAT）} /_VIN（MAX） ）] μH（10）另外， 電感的飽和電流應(yīng)大于流過它的峰值電流（I _{CHRG（MAX）} +ΔI_MAX/2）。電感的伏秒數(shù)也應(yīng)大于要求值。

　　4）肖特基二極管

　　所選肖特基二極管的正向電流應(yīng)大于回路中電流，此設(shè)計(jì)選用MBRS340.此外，V_IN處防反接肖特基二極管D1 還可用P 溝道FET 管代替。

　　5）NTC 熱敏電阻

　　由于光伏電池的輸出電壓易受工作溫度影響，可采取在R_IN1與V_IN之間添加一個(gè)適當(dāng)?shù)腘TC熱敏電阻進(jìn)行修正。另外對于發(fā)熱較嚴(yán)重的電池部件，應(yīng)采用NTC 熱敏電阻進(jìn)行溫度監(jiān)控和補(bǔ)償。對于本設(shè)計(jì)因光伏電池面積較小，電池發(fā)熱量有限，無需修正。

　　3 PCB 布線注意事項(xiàng)

　　LT3652 采用1 MHz 恒定開關(guān)頻率， 同時(shí)充電電路又存在著大電流和較精密的電壓參考，為了避免大電流和高頻開關(guān)噪聲對參考電壓的影響，應(yīng)周詳考慮其布線問題：

　　1）SW 和V_IN節(jié)點(diǎn)的走線應(yīng)短而寬， 以減少高頻噪聲，削弱感性環(huán)路的影響；2）輸入引腳電容C_IN及BOOST 引腳去耦電容均應(yīng)盡可能靠近芯片；3）SENSE 和BAT 引腳的走線長度盡量短，并布在一起。

　　PCB 布地線時(shí)推薦使用地平面。將開關(guān)電流接入地平面，并通過對元件合理布局將敏感節(jié)點(diǎn)與大電流通道及高頻回路隔離開來。有效的鋪地示意圖如圖5 所示，圖中環(huán)①和環(huán)②分別為開關(guān)使能與關(guān)斷時(shí)電流流向，實(shí)線和粗虛線分別表示不同布線層的走線。

圖5 有效的鋪地示意圖

　　4 結(jié)束語

　　LT3652 輸入電壓調(diào)整環(huán)路可自動(dòng)跟蹤光伏電池板的功率輸出工作點(diǎn)，從而提高光伏電池板的利用效率。芯片僅需使用電阻分壓器即可實(shí)現(xiàn)對輸入電壓的調(diào)節(jié)范圍、浮充電壓及關(guān)斷門限電壓的設(shè)置。實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可采用不同的電阻分壓器來設(shè)置不同的浮充電壓，通過開關(guān)切換來選擇不同的浮充電壓， 滿足各種電池不同充電電壓的需求。芯片輸入前端V_IN還可加設(shè)開關(guān)電源電路作為其輸入電壓源。通過開關(guān)的切換選擇使用光伏電池板充電或者220 V交流電充電，使產(chǎn)品更具適應(yīng)性?；贚T3652 的充電器可滿足精密數(shù)碼以及移動(dòng)通信基站等產(chǎn)品的高端蓄電設(shè)備的充電需求。LT3652 提供DFN 和MSOP 兩種纖小封裝，充電電路僅需少量小封裝外圍器件，可節(jié)省PCB 空間，利于充電器小型化。另外，還有高電壓版本LT3652HV 供選擇。

參考文獻(xiàn):

[1]. PCB datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[2]. D1  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/D1+_2060593.html.
[3]. MSOP  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MSOP+_2432948.html.
[4]. LT3652HV  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LT3652HV+_2025247.html.