LTC?4015 是一款通用型同步降壓型充電器，能夠支持多種電池化學成分，包括鉛酸、鋰離子和 LiFePO4.LTC4015 具有廣泛的電池充電功能列表，包括庫侖計數(shù)以及一系列電池和系統(tǒng)監(jiān)視器功能。但是，本文重點介紹其輸入控制環(huán)路，該環(huán)路支持太陽能電池板最大功率點跟蹤（MPPT）功能。

對于尚未接觸MPPT的一般概念或可以使用知識更新的讀者，請訪問“最大化太陽能電池板功率輸出的技術(shù)”。無論您對MPPT的一般了解如何，要了解LTC4015的實現(xiàn)，了解LTC4015的多控制環(huán)路操作非常重要。

基本設(shè)備操作

LTC4015 利用一個驅(qū)動 MN2 和 MN3 的峰值電流模式同步降壓型控制器為電池充電 （參見圖 1）。控制器可以調(diào)節(jié)四個參數(shù)：輸入電壓（使用 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）。峰值電感電流控制和電池充電電流調(diào)節(jié)均由檢測電阻R實現(xiàn)國家統(tǒng)計局.除了這兩個函數(shù)之外，R國家統(tǒng)計局允許 LTC4015 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操作的一個組成部分，將在下一節(jié)中詳細討論。

圖1.簡化的LTC4015應(yīng)用拓撲（不一定針對太陽能電池板輸入進行優(yōu)化）。

LTC4015 采用一種理想的二極管或 PowerPath 架構(gòu)，以將輸入電源和電池無縫連接至系統(tǒng)負載。理想二極管 MN1 連接 V在到 V.SYS如果 V在大于 V光熱發(fā)電（電池電壓），而 MP1 將電池連接到 V.SYS如果 V光熱發(fā)電大于 V在.除了從 V 為系統(tǒng)供電在，兩個二極管控制器與充電器一起工作，從電池向系統(tǒng)提供電力，而無需反向驅(qū)動V在并保證即使 V 的電源不足或不存在，系統(tǒng)也能供電在.

當由于編程的輸入電流限制（輸入電流調(diào)節(jié)）或輸入欠壓限制（輸入電壓調(diào)節(jié)）處于活動狀態(tài)而使開關(guān)充電器可用的功率有限時，充電電流會自動降低，以優(yōu)先向系統(tǒng)負載供電。然而，需要注意的是，LTC4015 僅限制充電電流，而不限制從輸入到系統(tǒng)負載的電流 — 如果單獨系統(tǒng)負載在充電電流降至零后需要的功率大于輸入的可用功率，則 V.SYS必須降至電池電壓，以便電池提供補充電源。

這對于MPPT操作非常重要。LTC4015 有效地利用其操縱充電電流的能力來調(diào)節(jié)輸入電流和輸入電壓。換句話說，如果輸入電壓降低到足以使UVCLFB引腳電壓降至其DAC編程的伺服電壓以下，則充電電流會降低，以試圖保持該輸入電壓電平。同樣，如果輸入電流開始超過DAC編程的輸入電流限值，則充電電流會降低，以試圖維持該輸入電流水平。但是，如果充電電流減小到零，則 LTC4015 將失去進一步影響輸入電流或輸入電壓的能力。更詳細地考慮LTC4015 MPPT操作，以了解這些問題為何重要。

MPPT操作

LTC4015 最大功率點跟蹤算法執(zhí)行周期性全局搜索以及連續(xù)的局部抖動，以確保為系統(tǒng)供電的太陽能電池板保持其峰值功率工作狀態(tài)。全局搜索對于確保連續(xù)抖動算法不會卡在本地最大功率點是必要的。根據(jù)確切的面板結(jié)構(gòu)，這可能會在部分遮陽條件下發(fā)生。

本地抖動和全局搜索均利用了稱為 UVCL 或欠壓電流限制的 LTC4015 輸入電壓調(diào)節(jié)功能。UVCL 控制環(huán)路通過自動降低充電電流 V 來防止電阻或電流受限輸入電源過低（例如，低于欠壓鎖定、UVLO 閾值）在（使用 V 在 UVCLFB 引腳上觀察在分壓器）降至可編程電平（VIN_UVCL_SETTING）。

全局搜索步驟VIN_UVCL_ SET 通過其全部值范圍，小心避免拉取 V在低于 UVLO 或 VIN_DUVLO，差分欠壓鎖定。如果輸入電壓降至電池電壓的約100mV以內(nèi)，則滿足差分UVLO條件。在每VIN_UVCL_SETTING測量充電電流。掃描完成后，LTC4015 應(yīng)用對應(yīng)于最大測量電池充電電流的VIN_UVCL_SETTING值。

由于電池電壓是低阻抗的，并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非常吻合。在全局搜索之后，通過緩慢（大約每秒一次）抖動VIN_UVCL_SETTING來跟蹤最大功率的微小變化。LTC4015 周期性地（大約每 15 分鐘一次）執(zhí)行新的VIN_UVCL_SETTING值全局搜索，應(yīng)用新的最大功率點，并在該點恢復抖動。圖 2 顯示了典型的 MPPT 全局搜索，然后是局部抖動。

圖2.MPPT搜索算法。

抖動算法首先將VIN_UVCL_SETTING遞增一步并測量新的充電電流。如果新的充電電流大于之前的測量值，則VIN_UVCL_ SET 繼續(xù)大約每秒增加一次，直到充電電流減小或 SET 達到滿量程VIN_UVCL_此時抖動方向反轉(zhuǎn)。滿量程對應(yīng)于VUVCLFB= 1.2V，輸入電壓為36.5V，具有所需的UVCLFB MPPT電阻分壓器值。在相反方向上，VIN_UVCL_SETTING大約每秒遞減一次，直到充電電流減小或輸入電壓太接近UVLO閾值，此時抖動方向再次反轉(zhuǎn)。

MPPT 特殊注意事項

雖然MPPT操作在大多數(shù)情況下相當簡單，但也有少數(shù)情況超出了規(guī)范。在這些情況下，LTC4015 在基本算法之外逐步調(diào)整，以最大限度地延長面板在其真正最大功率點上花費的時間。

抖動期間充電電流的顯著變化

當 LTC4015 采用抖動算法時，如果電池充電電流在單個抖動步驟中下降 1% 或更多，則抖動方向僅在 7ms 后反轉(zhuǎn)，而不是正常的一秒。這樣可以最大限度地延長在最高功率設(shè)置下花費的時間。同樣，如果充電電流的步進變化超過 ±25%，則算法將重復全局搜索，而無需等待標準的 15 分鐘。最大全局搜索重復速率為每五分鐘一次。

輸入電流限制設(shè)置

如上所述，LTC4015 在 MPPT 算法期間監(jiān)視輸入電壓，以確保其不會低于 UVLO 門限之一。持續(xù)監(jiān)控下的另一個標準是 LTC4015 是否實際上處于使用 UVCL 調(diào)節(jié)狀態(tài)，采用數(shù)字遙測系統(tǒng)的 vin_uvcl_active 位。請記住，可以調(diào)節(jié)四個參數(shù)：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，建議將輸入電流限值（IIN_LIMIT_SETTING）設(shè)置為大于或等于太陽能電池板的最大短路電流能力。這可確保輸入電流調(diào)節(jié)不會干擾MPPT操作。但是，另外兩個調(diào)節(jié)環(huán)路可以控制：充電電壓和充電電流。

可用電流足夠

在全局搜索或抖動階段，如果充電電壓或充電電流調(diào)節(jié)需要的電流小于欠壓電流限制UVCL，則意味著太陽能電池板可以滿足該特定VIN_UVCL_SETTING的正常充電條件。此時，抖動方向反轉(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可能對應(yīng)于最大充電電流。如果由于某種異常原因沒有，則 LTC4015 將斜坡回到對應(yīng)于最大充電電流的VIN_UVCL_SETTING。

低可用功率

另一種特殊情況是，通過完成的全局搜索測量的最大充電電流低于滿量程的約5%，其中滿量程對應(yīng)于R兩端的32mV。國家統(tǒng)計局（例如，4A 充電器為 200mA）。在這種情況下，LTC4015 返回到全局搜索期間找到的VIN_UVCL_SETTING，但不嘗試抖動。在此充電電流水平下，單個ADC讀數(shù)中的噪聲變得很大，抖動可能導致不穩(wěn)定的工作。

甚至更低可用功率

如果通過完成的全局搜索測量的最大充電電流甚至更低，則小于滿量程的約1%（例如，4A充電器為40mA，R兩端僅為320μV）。國家統(tǒng)計局），那么 LTC4015 幾乎失去了控制太陽能電池板功率的能力。盡管如此，還是進行了最后一次嘗試，以最大限度地提高面板輸出功率。LTC4015 恢復到一個VIN_UVCL_SETTING，該對應(yīng)于 SET 處于全標度時測量VIN_UVCL_太陽能電池板開路電壓的 70%。由于太陽能電池板通常以開路電壓的70%-80%的電壓產(chǎn)生最大功率，并且在較低的電池板電壓下緩慢地滾落，因此這是以最少的可用信息最大化功率的最佳嘗試。

二極管OR拓撲的潛在問題

根據(jù)具體的應(yīng)用條件，二極管OR拓撲（見圖1）可能會導致太陽能電池板功率的次優(yōu)利用。考慮圖 3 所示的簡化型 LTC4015 PowerPath 架構(gòu)。

圖3.LTC4015 電源路徑架構(gòu)。

如果系統(tǒng)負載增加超過太陽能電池板的電流能力，則兩個理想的二極管控制器都將打開，MN1和MP1導通以支持增加的負載。太陽能電池板輸出電壓塌陷到系統(tǒng)負載電壓，系統(tǒng)負載電壓崩潰到電池電壓。

在太陽能電池板電壓等于電池電壓的情況下工作不太可能產(chǎn)生最大功率，但在大多數(shù)應(yīng)用中，這不應(yīng)該是一個嚴重的問題。

太陽能電池板的尺寸應(yīng)使其平均功率容量大于平均負載功率。如果不滿足此條件，則電池將無法充電。因此，圖 3 中描述的場景不應(yīng)是典型的。

此外，任何與 LTC4015 配對的太陽能電池板都必須具有一個小于 40V 的開路電壓，以避免違反 LTC4015 的絕對最大額定值。許多滿足此要求的商用面板的最大電源電壓約為17V。為 12V 鉛酸電池、3S 鋰離子電池組 （~11.7V） 或 4S 鋰離子電池或 LiFePO 充電時4堆棧（分別為~15.6V和14V），面板可能仍會在其最大功率的75%或80%以上工作。換句話說，即使面板的最大功率電壓與電池電壓之間的差異相對較小，性能也不會受到顯著影響。對于最大電源電壓不是 17V 的面板，相同的邏輯適用。如果最大電源電壓相對接近典型電池電壓，則系統(tǒng)負載超過面板電流的短暫時間段不會顯著影響性能。但是，如果這種情況仍然是一個問題，則有一個解決方案。

電池供電拓撲

為了確保 LTC4015 能夠始終保持對太陽能電池板電源的完全控制，有必要針對系統(tǒng)負載移動連接。有關(guān)此拓撲的簡化原理圖，請參見圖4，該拓撲可稱為電池供電拓撲。這種配置強制負載與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減去并降低電池電流。如果系統(tǒng)負載超過編程的充電電流，則電池只需提供所需的額外電流。

圖4.簡化的 LTC4015 電池供電拓撲。

這種拓撲的優(yōu)點在于，LTC4015 最大限度地發(fā)揮了電池電流和系統(tǒng)負載電流的組合。換言之，LTC4015 使總輸出功率最大化。由于輸入 PowerPath 僅向開關(guān)穩(wěn)壓器饋送電流，因此 LTC4015 能夠完全控制輸入電流。由于 LTC4015 輸出在這種配置中為電池充電并為負載供電，因此它可以將輸出功率減小至零。在這種情況下，負載仍由電池支撐。

然而，電池供電拓撲確實需要權(quán)衡取舍，即：

LTC4015 的庫侖計數(shù)器功能受到嚴重損害，因為 LTC4015 無法區(qū)分電池電流和系統(tǒng)負載電流。無法區(qū)分兩種電流會產(chǎn)生其他后果。編程充電電流不再是固定的電池充電電流。相反，電池充電電流隨系統(tǒng)負載而變化。充電時，數(shù)字遙測系統(tǒng)將能夠監(jiān)控和報告系統(tǒng)負載電流和電池電流的總和，但在“僅電池”操作（無輸入電源）中不提供電流讀數(shù)。

這種電池供電拓撲也會影響端接算法，尤其是基于電流的C/x端接。LTC4015 充電算法不是在電池電流低于一個編程門限時終止，而是在負載電流和電池電流之組合降至該門限以下時終止。如果充電周期終止，則所有系統(tǒng)負載電流將從電池中汲取，直到充電周期開始。

最后，理想的二極管或PowerPath拓撲（圖1）在輸入電壓可用時立即為系統(tǒng)供電，即使電池嚴重放電也是如此。在圖4的電池供電拓撲中，輸入電源需要將電池充電至大于最小系統(tǒng)電壓的電壓，然后系統(tǒng)才能工作。

最后一個缺點的必然結(jié)果是電池必須能夠始終提供滿載電流。由于MPPT算法和電池串聯(lián)電阻（BSR）算法將暫時和周期性地禁用開關(guān)穩(wěn)壓器，因此電池必須能夠在這些時間內(nèi)提供完整的系統(tǒng)負載。這在為鋰離子化學品充電時尤其重要。LTC4015 鋰離子電池充電算法包括一個預(yù)充電階段。如果系統(tǒng)負載可以將電池放電到預(yù)充電閾值以下，并且相同的負載超過預(yù)充電電流，則即使存在輸入電源，電池也可能耗盡。這可能會永久損壞電池。

由于這些缺點，在決定標準二極管OR拓撲和電池供電拓撲時應(yīng)仔細考慮。

MPPT 和低輸入功率

盡管 LTC4015 具有精心設(shè)計的 MPPT 算法 （包括上述特殊極端情況） 和在不同拓撲結(jié)構(gòu)下工作的能力，但有一種情況是，無論拓撲結(jié)構(gòu)如何，LTC4015 都無法最大化太陽能電池板輸出。

LTC4015 電池充電器功能需要極小的電流才能工作，具體時間取決于各種應(yīng)用 （開關(guān) MOSFET 選擇、補償?shù)龋┤绻柲茈姵匕逄峁┑淖畲筝斎腚娏鞲哂?mA至3mA，但低于操作充電器所需的最小電平（大約在5mA至20mA的范圍內(nèi)），則電池實際上可能會被充電器略微放電。

在這些條件下，例如，光線非常昏暗但并非完全黑暗的太陽能電池板，最壞情況下的電池漏電流通常小于10mA。只要可用輸入電流保持在所述范圍內(nèi)，這種情況就會持續(xù)存在。如果可用輸入電流下降，則電池放電將恢復到接近正常的純電池模式水平——有關(guān)詳細信息，請參閱數(shù)據(jù)手冊。

對于典型的太陽能電池板應(yīng)用，這種情況通常是短暫且不常見的，不需要緩解。例如，日出前和日落后的短時間內(nèi)可能會導致一些額外的電池消耗。然而，如數(shù)據(jù)手冊中所述，如果這種情況是一個問題，可以通過在電池充電電流低于滿量程的1%（IBAT ≤ 218）時禁用充電器（設(shè)置suspend_charger = 1）并通過定期寫入suspend_charger = 0（例如，每60秒）重試來緩解這種情況。（可選）可以將此重試限制為僅在 V 時發(fā)生在高于已知閾值。

結(jié)論

LTC4015 可用作電池供電型應(yīng)用的電源管理主干，并且特別擅長于在太陽能電池板作為輸入電源時為電池充電和支持負載。其集成的理想二極管OR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，使其能夠保持太陽能電池板輸入電源的高電池充電性能和最大功率點跟蹤。

審核編輯：郭婷