一種精簡(jiǎn)高效型的電池充電設計

太陽(yáng)能電源是今天更加關(guān)注環(huán)保的“綠色”社會(huì )熱點(diǎn)問(wèn)題。使用可再生能源的趨勢日益增強，這種趨勢不斷導致諸如太陽(yáng)能或風(fēng)能等可選能源的增加。得到改善的技術(shù)連同這種趨勢，正在使利用這些能源發(fā)電在經(jīng)濟上更加可行。需要大型電池板或電池板陣列的應用已出現于住宅和商業(yè)建筑物中。然而，在脫離電網(wǎng) (此時(shí)，沒(méi)有可用的線(xiàn)路電源) 的應用中，太陽(yáng)能電池板也成為一種富有吸引力的發(fā)電替代方案。調節這種電池板提供的電源以給一個(gè)子系統中的電池充電，可使這種設備獨立自主，并可位于偏遠地區。一般情況下，這類(lèi)單個(gè)電池板產(chǎn)生 25W~30W 的功率，面積不到 4 平方英尺。更低功率的電池板可能更小。

　　太陽(yáng)能供電的充電系統的目標是，不僅在白天直接給系統供電，而且在陽(yáng)光最充足的時(shí)候給存儲單元 (一般是電池) 充電，這樣在夜間或陽(yáng)光不充足的情況下，當電池板輸出功率接近零時(shí)，電池就可以給系統供電。傳統上，這些應用大部分使用密封鉛酸 (SLA) 電池作為主要的存儲單元，但是，隨著(zhù)應用的外形尺寸減小，鋰化學(xué)組成正在變得越來(lái)越常見(jiàn)。在便攜式和非便攜式環(huán)境中，利用太陽(yáng)能給這些電池充電正在日益成為主流。單塊太陽(yáng)能電池板有很多新出現的應用，其中包括堅固耐用的軍用筆記本電腦、工業(yè)庫存和銷(xiāo)售點(diǎn) (POS) 管理設備、遠程檢測單元、便攜式汽車(chē)診斷設備、海洋太陽(yáng)能浮標、路標照明、路邊應急電話(huà)、人行橫道指示燈照明、甚至太陽(yáng)能供電的垃圾夯實(shí)機。

　　此外，在很多應用中也已經(jīng)出現了磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池，這種電池比基于鈷的鋰離子聚合物電池 (典型值為 4.1V 或 4.2V) 提供更高的安全性和更低的浮置電壓 (3.6V) 。這種化學(xué)組成也有其他很多基于鈷的鋰離子/聚合物電池所具有的優(yōu)點(diǎn)，包括低的自放電速率和相對低的重量。此外，比較而言，LiFePO4 提供更長(cháng)的周期壽命和總壽命、更高的峰值功率額定值、針對更高的熱失控電阻而實(shí)現的更高安全性、以及更小的環(huán)境影響。與基于鈷的鋰離子/聚合物電池比較，LiFePO4 的缺點(diǎn)包括較低的能量密度 (容量) 以及如果新電池太早“深度循環(huán)”，易于永久失效。

　　設計問(wèn)題

　　一般情況下，從太陽(yáng)能電池板抽取峰值功率或者非常昂貴 (因為使用太陽(yáng)能電池穩壓器模塊) ，或者難以實(shí)現，一般需要利用微控制器和大量分立組件的復雜電路。這些全含式、最大峰值功率跟蹤 (MPPT) 模塊傳統上以大型電池板電源應用為目標，例如住宅或商務(wù)大樓，但是，隨著(zhù)所發(fā)現太陽(yáng)能電源的用途越來(lái)越多，市場(chǎng)應用情況正在改變。

　　對于給定數量的光能來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池板有某一個(gè)輸出電壓，在這個(gè)輸出電壓時(shí)，產(chǎn)生峰值輸出功率。電池板內部的旁路二極管可能產(chǎn)生復雜的功率與電流特性，當電池板上有部分光線(xiàn)被遮住時(shí)，這類(lèi)特性不容易優(yōu)化。不過(guò)，目前市場(chǎng)上幾乎所有規定最大輸出功率低于 25W~30W 的 12V 系統太陽(yáng)能電池板都是由簡(jiǎn)單的串聯(lián)電池配置構成的，沒(méi)有旁路二極管。這種類(lèi)型的配置產(chǎn)生位于窄的電池板輸出電壓頻帶內的峰值輸出功率，而不管光照條件。視電池板特性的不同，峰值功率可能從 12.5V 至 18.5V 的電池板電壓產(chǎn)生。

　　磷酸鐵鋰電池可能不可用標準鋰離子/聚合物電池充電器充電，考慮到這類(lèi)電池 3.6V 的較低浮置電壓特性，如果沒(méi)有正確充電，可能導致對電池不可修復的損壞。準確的浮置電壓充電將延長(cháng)電池壽命。充電預查驗 (涓流充電) 還有助于避免損壞電池，尤其是在深度放電時(shí)。

　　目前缺乏具內置充電終止功能 (以 >20V 的高壓工作) 的太陽(yáng)能供電單片 (內置電源電路) 電池充電器 IC 解決方案。有一些暫時(shí)的解決方案可以完成這個(gè)任務(wù)，尤其是獲得太陽(yáng)能的能力。不過(guò)，這些解決方案大且復雜，需要很多外部組件，并占用寶貴的 PCB 面積。

　　總結一下關(guān)鍵的設計問(wèn)題：

　　·利用目前的解決方案從太陽(yáng)能電池板抽取峰值功率或者非常笨重，或者非常昂貴

　　·缺乏具內置充電終止功能 (以 >20V 的高壓工作) 的太陽(yáng)能供電單片電池充電器 IC 解決方案

　　·磷酸鐵鋰電池有較低浮置電壓的特殊充電需求，但是與鋰離子/聚合物電池相比有一些優(yōu)點(diǎn)

　　一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案

　　任何要滿(mǎn)足上面討論的設計限制條件的解決方案都必須是緊湊、高壓和單片的，是一個(gè)能夠用內置充電終止功能應對太陽(yáng)能電源輸入電壓變化和多種電池化學(xué)組成的解決方案。這樣的器件將成為提高全球能量獲取與保存應用安裝量的促進(jìn)因素。

　　太陽(yáng)能電源能力和多種化學(xué)組成電池的運行

　　LT3652 IC 是以凌力爾特公司受歡迎和具強大實(shí)力的 LT3650 系列為基礎而開(kāi)發(fā)的。它是一個(gè)創(chuàng )新、具太陽(yáng)能電源跟蹤功能、單片降壓型電池充電器 IC，用于新式電池化學(xué)組成。該器件運用了一種創(chuàng )新的輸入電壓調節環(huán)路，該環(huán)路負責控制充電電流，以將輸入電壓保持在編程設定的電平上。當 LT3652 由單塊太陽(yáng)能電池板供電時(shí)，輸入調節環(huán)路強制電池板以峰值輸出功率運行。這個(gè)獨特的輸入電壓調節環(huán)路電路系統提供了與更復雜和更昂貴的 MPPT 方法幾乎同樣的輸出功率。

　　LT3652 接受 4.95V 至 32V 的寬范圍輸入，具 40V 絕對最大額定值，以增加系統裕度。它能夠給多種電池組配置充電，包括單節至三節串聯(lián)鋰離子/聚合物電池、單節至四節串聯(lián)磷酸鐵鋰電池、12V 密封鉛酸 (SLA) 電池、以及高達 14.4V 的電池。參見(jiàn)圖 1，以獲取詳細信息。

圖 1：LT3652 的典型應用電路

　　SOLAR PANEL INPUT：太陽(yáng)能電池板輸入

　　OC VOLTAGE：開(kāi)路電壓

　　2-CELL LiFePO4 (2 X 3.6V) BATTERY PACK：兩節磷酸鐵鋰 (2 x 3.6V) 電池組

　　SYSTEM LOAD：系統負載

　　LT3652 的充電電流可設置為高達 2A。這款獨立型電池充電器無(wú)需使用外部微控制器，并具有用戶(hù)可選的充電終止功能，包括 C/10 或一個(gè)內置定時(shí)器。該器件的 1MHz 固定開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現了小巧的解決方案外形尺寸。浮置電壓反饋準確度規定為 ±0.5%，充電電流準確度為 ±5%，而 C/10 檢測準確度為 ±2.5%。一旦充電操作終止，LT3652 就自動(dòng)進(jìn)入一種低電流待機模式，該模式把輸入電源電流減小至 85uA。在停機模式中，輸入偏置電流減小至 15uA。在所有非充電周期，通過(guò)從電池泄漏 1uA 的電流，LT3652 最大限度地延長(cháng)了電池壽命。對于自主型充電控制，如果電池電壓降至編程設定的浮置電壓以下達 2.5% 時(shí)，自動(dòng)再充電功能就起動(dòng)一個(gè)新的充電周期。其它安全相關(guān)的功能包括低電池電量預查驗、熱敏電阻輸入以用于溫度合格的充電、壞電池檢測和二進(jìn)制編碼狀態(tài)輸出引腳。LT3652 采用扁平 (0.75mm) 12 引腳 3mm x 3mm DFN 封裝，在 -40°C 至 125°C 的結溫范圍內工作有保證。