基于LT8611与AD5245芯片实现微功率太阳能MPPT电池充电器的设计

电子设计 2019-04-17 12723

描述

简介

使用几瓦范围内的太阳能电池板的户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可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，同时连续抖动太阳能电池板的工作电压，以便仔细跟踪最大功率点。对于20W至500W的面板，这种经过验证的技术运行良好，因为MPPT电路消耗的能量与通过有效MPPT算法获得的额外能量相比微不足道。

然而，对于使用1W面板的应用，太阳能电池板可能只有100mW可用于冬季的大部分时间或大部分安装。像这样的应用可以从太阳能电池充电器中获益，该充电器需要更少的静态电流来在最大功率点操作面板。一个例子可能是太阳能传感器，它可以更频繁地报告，或者现在可以在没有电池更换的情况下运行更长时间。另一个例子是商用太阳能照明，现在可以在更加不利的照明条件下或在减小面板尺寸的情况下运行。

LT8611 42V，2.5A同步降压稳压器，具有电流检测和2.5μA静态电流在非常宽的充电电流范围内提供非常高效的功率转换，这对于许多太阳能动力电池充电器来说是至关重要的。 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LT8611如何与AD5245数字电位器和外部微控制器配合使用，设计出一种微功率太阳能MPPT电池充电器，可在低光照条件下充电至高达2.5A的所有面板条件下保持高效率。实施此解决方案需要软件开发。假设读者想要开发或调整他们自己的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过：

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积极发现太阳能应用中的真正最大功率点

MPPC（电池电压相关）

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，考虑当Vmp为9V的光线充足的1W太阳能电池板连接到该电路和锂离子电池的电压为3.8V时会发生什么。使能时，LT8611将尝试将输出电压提升至4.1V，最高可达1A。由于1W面板无法提供此功率电平，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。

输入电压调节将被添加到该电路使LT8611将降低电池充电电流并将太阳能电池板工作电压维持在其最大功率点。作为第一步，考虑当我们从输入电压添加一个电阻分压器并将中点馈送到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参考电压，并且该电路的输出分压比的大小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，由于输出分压器，FB引脚上的电压将为900mV。 LT8611的跟踪功能可以使TR / SS引脚驱动至低于970mV，FB引脚将被调节至等于TR / SS电压的电压。如果此输入电阻分压比的大小使得当面板电压处于9V的最大功率点时TR / SS为900mV，LT8611跟踪功能将降低输出电压（因此降低电池充电电流）以维持电池电压为3.8V时输入电压为9V。此时，电路具有输入调节或MPPC环路，其依赖于电池电压，这不是非常有用。对于运行太阳能电池板MPPT扫描的微控制器，它必须能够控制输入调节电压。

MPPT

输入电压的调整可以类似于调整电压调节器输出的方式实现。这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来实现 - 在这种情况下为TR / SS引脚。还可以使用来自微控制器或DAC的滤波PWM输出来实现控制电压。 PWM或DAC选项可提供硬件简单性和最低成本，因为这些功能通常包含在许多微控制器中。

然而，这些功能通常不在微控制器的最低功耗状态下可用，通常消耗约1mW。如果1mW的功率损耗对应用来说并不重要，这可能是最合适的技术，因为PWM控制已证明在该电路中工作得相当好。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兼容数字电位计仅从其VDD电源吸收几微安，可提供高达100kΩ的值。如果我们将输入分压器中的顶部电阻设置为309kΩ并使用变阻器配置的AD5245以及底部分压器中的一系列6.2kΩ电阻，我们可以通过I 将输入电压调节目标从4.5V调节到40V 2 C，同时消耗很少的额外功率（见下图3）。一旦AD5245被编程为以最大功率点操作面板，微控制器就可以进入低功耗睡眠模式。除微控制器的休眠电流（通常低于10μA）外，没有额外的电流消耗。

要运行MPPT扫描，AD5245代码从高电阻逐步降至低电阻，使面板从开路电压降至4.5V，而LT8611的IMON输出由ADC监控以跟踪电池充电电流。产生最大电池充电电流的AD5245代码用作组合太阳能电池板和充电电路的最大工作点。一旦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MPPT扫描之间发生的情况，这些扫描通常计划以15分钟的间隔运行。对于太阳辐照度的相对快速变化，如通过云层，没有微控制器参与。输入分压器和LT8611跟踪功能将继续在最大功率点操作面板，而电池充电电流将随着太阳辐照度而变化。

所有电池都有一些小的内部阻抗，并且会有一些小的阻抗电池充电器和电池之间。该组合阻抗通常小于100mΩ，但由于电池充电电流的相应变化，在通过云盖期间会导致LT8611输出电压的轻微变化。这些电池电压的变化反映在LT8611 FB引脚上。由于LT8611跟踪功能将FB引脚调节到与TR / SS引脚相同的电压，因此太阳能电池板的工作电压将随着太阳辐照度的增加而略有增加。这往往有利于MPP跟踪效率，因为太阳能电池板最大功率点电压随着太阳辐照度的增加而略有增加。

在较长时间内，电池将充电。如果未更新AD5245代码，相应的电池电压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扫描并相应调整AD5245，以便在电池充电时保持最佳的面板电压。

下面提供了微控制器LT8611，AD5245和LTC4412的完整原理图：

2.6V钳位用于保护LT8611 TR / SS引脚，该引脚具有4V ABS MAX额定值使AD5245抽头引脚保持低于其由电池供电的VDD引脚。使用我们在ThinSOT中的LTC4412低损耗PowerPath控制器作为理想二极管控制器，消除了图2中D1的VF压降。通过在LT8611的输出端使用LTC4412，当没有太阳能供电时，电池消耗最小化。

这里有意省略一些实施细节，以保持上述示意图简化，讨论相对较短。但是，某些应用程序可能会有一些进一步的增强功能。例如，使用MCU将LT8611 SYNC引脚驱动为高电平或低电平有助于在MPPT扫描期间保持IMON输出在整个输出电流范围内有效，并在扫描完成后将其切换回来以保持最高效率。此外，该电路能够以非常低的功率水平操作面板。在非常低的功率水平下，当面板扫描运行时，很难测量IMON输出中的峰值。在这种情况下，采用MPPT算法通常是最有益的，该MPPT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，该电压是开路面板电压的某个预定比率。最后一种技术并不罕见，在低功耗MPPT算法中非常有效。

结论

在极低功率情况下，由于执行MPPT扫描能量，因此增加MPPT扫描间隔是有益的。为了确定MPPT扫描是否值得运行，不仅可以知道实时充电电流，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，电压测量功能，可用于通过I 2 C跟踪累积电荷，并确定算法的有效性。它还使MCU能够动态平衡功耗与累积电量。 LTC2942是一款精确且功耗极低的电量监测计，在累计电量时仅消耗70uA电流。 LTC2942还具有关断模式，可在不使用时使用。对于更高的电池电压，我们的LTC2943多节电池电量监测计具有温度，电压和电流测量功能，LTC2944 60V电池电量监测计可以使用温度，电压和电流测量。对于更高的充电电流，我们的LT8613 42V同步降压稳压器具有电流检测和3μA静态电流，最高可以使用6A。

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