基于LT8611和AD5245芯片的微功率太阳能MPPT电池充电器的设计

简介

使用几瓦特范围的太阳能电池板的室外应用通常使用基于微控制器的MPPT（最大功率点跟踪）功能来提取最大功率，并且可以在各种环境条件下使用. 许多基于微控制器的MPPT解决方案设计用于20W至500W，功耗约为20-100mW，同时不断摇动太阳能电池板的工作电压以仔细跟踪最大功率点. 对于20W至500W的面板，这项经过验证的技术行之有效，因为与有效MPPT算法获得的额外能量相比，MPPT电路消耗的能量可以忽略不计.

但是，对于使用1W面板的应用，在大多数冬季或大多数安装中只能使用100mW的太阳能面板. 这样的应用可以受益于太阳能电池充电器mppt控制器芯片，该充电器需要较少的静态电流才能在最大功率点上操作面板. 一个例子可能是太阳能传感器，它可以更频繁地报告，或者现在可以运行更长的时间而无需更换电池. 另一个例子是商业太阳能照明，现在可以在更不利的照明条件下或减小面板尺寸的情况下工作.

LT8611具有电流检测功能和2.5μA静态电流的42V，2.5A同步降压型稳压器在非常宽的充电电流范围内提供了非常有效的功率转换，这对于许多太阳能电池充电器来说是最重要的. LT8611具有输出电压和输出电流调节环路，可用于在电池充电器中提供CC和CV功能. 本文介绍了如何将LT8611与数字电位计AD5245和外部微控制器结合使用，以设计一种微功率太阳能MPPT电池充电器，该充电器可在所有面板条件下在低光照条件下保持高达2.5A的高效率. 实施此解决方案需要软件开发. 假设读者想开发或调整自己的MPPT算法以在外部微控制器上运行.

本文中使用的术语MPPT和MPPC先前已在以下文章中讨论:

最大化太阳能电池板功率输出的技术

80V降压-升压铅酸和锂电池充电控制器可主动发现太阳能应用中的真正最大功率点

MPPC（与电池电压有关）

要开始讨论如何使用LT8611启用MPPT功能，让我们从LT8611数据表中的4.1V / 1A CCCV锂离子电池充电器示例电路开始:

例如，考虑将光功率为9V的1W太阳能电池板连接到电路并且锂离子电池的电压为3.8V时发生的情况. 启用后，LT8611将尝试将输出电压提高至4.1V，最高可达到1A. 由于1W面板无法提供此功率电平，因此面板电压将低于面板的Vmp，刚好高于电池电压加上二极管D1的VF.

将在该电路中添加输入电压调节器，以便LT8611将减少电池充电电流并将太阳能电池板的工作电压维持在其最大功率点. 第一步，请考虑当我们在输入电压上添加一个电阻分压器并将中点馈入LT8611的TR / SS引脚时会发生什么，如下所示:

LT8611的输出误差放大器具有内部970mV的基准电压，并且该电路的输出分压比使得当电池电压达到4.1V时FB引脚将达到970mV. 当电池电压为3.8V时，由于有输出分压器，因此FB引脚上的电压将为900mV. LT8611的跟踪功能可以将TR / SS引脚驱动到970mV以下，并且FB引脚将被调整为等于TR / SS电压的电压. 如果当面板电压为9V的最大功率点时输入电阻分压器比率的大小使得TR / SS为900mV，则LT8611跟踪功能将降低输出电压（从而降低电池充电电流）以保持电池电压为3.8V 9V. 此时，电路具有输入调节或MPPC回路，取决于电池电压，这不是很有用. 对于要运行太阳能电池板MPPT扫描的微控制器，它必须能够控制输入调节电压.

MPPT

可以以与调节电压调节器的输出类似的方式调节输入电压. 通常通过使用连接到误差放大器输入的控制电压和串联电阻（在这种情况下为TR / SS引脚）来实现. 您还可以使用微控制器或DAC的滤波后PWM输出来实现控制电压. 由于这些功能通常包含在许多微控制器中，因此PWM或DAC选项可以简化硬件并降低成本.

但是，这些功能通常在微控制器的最低功耗状态下不可用，通常功耗约为1mW. 如果1mW的功率损耗对应用不重要，则这可能是最合适的技术，因为事实证明PWM控制在该电路中可以很好地工作. 为了节省1mW的功率损耗并减少扫描太阳能电池板工作范围所需的时间，可以使用数字电位器.

AD5245 256位I 2 C兼容数字电位器从其VDD电源仅吸收几微安的电流，并且可以提供高达100kΩ的值. 如果我们将输入分压器中的顶部电阻设置为309kΩ，并在底部分压器中使用配置有压敏电阻和一系列6.2kΩ电阻的AD5245，则可以通过I将输入电压调节目标从4.5V调节至40V 2 C ，而只消耗很少的额外功率（请参见下面的图3）. 一旦对AD5245进行编程以使其在最大功率点上操作面板，微控制器就可以进入低功耗睡眠模式. 除了微控制器的睡眠电流（通常低于10μA）之外，没有其他电流消耗.

要运行MPPT扫描，需要将AD5245代码从高阻逐渐降低至低阻，这会将面板的开路电压降低至4.5V，并且ADC监视LT8611的IMON输出以跟踪电池充电电流. 产生最大电池充电电流的AD5245代码用作太阳能电池板和充电电路组合的最大工作点. 一旦将AD5245代码设置为以最大功率点操作面板，微控制器将进入低功耗状态.

让我们考虑一下MPPT扫描之间通常会间隔15分钟运行一次的情况. 对于相对较快的太阳辐照度变化（例如通过云），不涉及微控制器. 输入分压器和LT8611跟踪功能将在最大功率点继续使面板工作，而电池充电电流将随太阳辐照度而变化.

所有电池的内部阻抗都较小，并且充电器和电池之间的阻抗也较小. 组合阻抗通常小于100mΩ，但是由于电池充电电流的相应变化，在穿过云层的过程中，它将导致LT8611的输出电压略有变化. 这些电池电压变化反映在LT8611 FB引脚上. 由于LT8611跟踪功能将FB引脚调整为与TR / SS引脚相同的电压，所以随着太阳辐照度的增加，太阳能电池板的工作电压将略有增加. 这通常对MPP跟踪效率有利，因为太阳能电池板的最大功率点电压会随着太阳辐照度的增加而略有增加.

电池将被充电更长的时间. 如果未更新AD5245代码，则电池电压的相应增加将增加太阳能电池板调节的电压. 微处理器需要定期运行MPPT扫描并相应地调整AD5245，以在电池充电时维持最佳的面板电压.

下面提供了微控制器LT8611，AD5245和LT412的完整:

2.6V钳位用于保护LT8611 TR / SS引脚，该引脚具有4V ABS MAX额定值，以将AD5245抽头引脚保持在其电池供电的VDD引脚以下. 在ThinSOT中使用我们的LT412低损耗PowerPath控制器作为理想的二极管控制器，可以消除图2中D1的VF电压降. 通过在LT8611的输出端使用LT412，在没有太阳能的情况下，电池消耗得以最小化.

此处有意省略一些实现细节，以简化上面的，并且讨论相对简短. 但是，某些应用程序可能会有一些进一步的增强. 例如，使用MCU将LT8611 SYNC引脚驱动为高电平或低电平有助于在整个MPPT扫描期间使IMON输出保持有效，并在扫描后将其切换回以保持最大效率. 另外，该电路能够以非常低的功率水平操作面板. 在极低的功率水平下，在面板扫描运行时很难测量IMON输出中的峰值. 在这种情况下，通常最有利的是使用MPPT算法，该算法在MPPT扫描期间读取面板电压和IMON输出. 如果未找到IMON输出峰值，则MCU可以将AD5245代码设置为操作太阳能电池板的值，该值是开路面板电压的特定预定比率. 最后一种技术并不罕见，在低功耗MPPT算法中非常有效.

结论

在功耗极低的情况下，由于MPPT扫描能量的增加，有利于增加MPPT扫描间隔. 要确定MPPT扫描是否值得运行，您不仅可以了解实时充电电流，还可以跟踪自上次扫描以来累积的电荷量. 我们的LTC2942电池电量监测计具有温度和电压测量功能，可用于跟踪通过I 2 C累积的电荷并确定算法的有效性. 它还使MCU能够动态平衡功耗和累积功率. LTC2942是一种精确的，极低功耗的电量计mppt控制器芯片，在累积功率时仅消耗70uA电流. LTC2942还具有一个停机模式，该模式可以在不使用时使用. 对于更高的电池电压，我们的LTC2943多节电池电量计具有温度，电压和电流测量功能，而LTC2944 60V电池电量计则可以使用温度，电压和电流测量. 为了获得更高的充电电流，我们的LT8613 42V同步降压型稳压器具有电流检测功能和3μA静态电流，可以使用高达6A的电流.

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