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背景
在今日众所关注的“绿色”环保焦点中,太阳能电源是相当令人瞩目的供电方案。而随着使用可再生能源之趋势,同时也促成了太阳能、或风力等替代能源的与日俱增。而在脱离电网 (此时,没有可用的线路电源) 的应用中,太阳能电池板也成为一种富有吸引力的发电替代方案。一般情况下,这类单一电池板可提供 <25W～30W 的功率,且面积不到 4 平方英尺,更低功率的电池板可能更小。太阳能供电之充电系统的目标,是不仅在白天可直接为系统供电,而且还可在阳光最充足的时候为储存单元 (一般是电池) 充电,如此在夜间或阳光不充足的情况下,当电池板输出功率接近零时,电池就可以为系统供电。传统上,这些应用大部分使用密封铅酸 (SLA) 电池作为主要的存储单元,但是,随着应用的外形尺寸减小,锂化学组成正变得越来越常见。
在便携式和非便携式环境中,利用太阳能为这些电池充电已逐渐成为主流。单块太阳能电池板存在于许多新兴应用中,其中包括坚固耐用的军用笔记本电脑、工业库存和销售点 (POS) 管理设备、远程检测单元、便携式汽车诊断设备、海洋太阳能浮标、路标照明、路边紧急电话、人行道指示灯照明、甚至是以太阳能供电的垃圾压缩机等。此外,在许多应用中,也已经出现了磷酸铁锂 (LiFePO4)电池,这种电池比以钴为基础的锂离子聚合物电池 (典型值为4.1V或 4.2V) 提供更高的安全性和更低的浮动电压 (3.6V) 。这种化学组成也有其他很多以钴为基础的锂离子/聚合物电池所具有的优点,包括较低的自放电速率和相对低的重量。此外,相较而言,LiFePO4可提供更长的周期寿命和总寿命、更高的峰值功率额定值、针对更高的热失控电阻而达到更高安全性、以及更小的环境影响。
设计问题
一般情况下,从太阳能电池板汲取峰值功率,不是非常昂贵 (因为使用太阳能电池稳压器模块)就是难以达成,一般需要利用微控制器和大量独立式零部件的复杂电路。这些完整的最大峰值功率追踪 (MPPT) 模块,传统是以大型电池板电源应用为目标,例如住宅或商务大楼,但是,随着所发现太阳能电源的用途越来越广,市场应用情况正在改变。
对于给定数量的光能来说,太阳能电池板具备一个输出电压,在这个输出电压时则产生峰值输出功率。电池板内部的旁路二极管可能产生复杂的功率与电流特性,当电池板上有部分光线被遮住时,这类特性不容易优化。不过,目前市场上几乎所有规定最大输出功率低于25W～30W的12V系统太阳能电池板都是由简单的串联电池配置构成,而不具备旁路二极管。这种类型的配置产生位于窄电池板输出电压频段内的峰值输出功率,而不论光照条件如何。视电池板特性的不同,峰值功率可能从12.5V～18.5V的电池板电压产生。
磷酸铁锂电池可能不可透过标准锂离子/聚合物电池充电器充电,考虑到这类电池3.6V的较低浮充电压特性,如果没有正确充电,可能导致对电池不可修复的损坏。准确的浮动电压充电将延长电池寿命。充电预查验 (慢充) 还有助于避免损坏电池,尤其是在深度放电时。
目前缺乏具内置充电终止功能 (以 >20V的高压工作) 的太阳能供电单片 (内置电源电路) 电池充电器 IC 解决方案。但有一些暂时性解决方案则可完成这个任务,尤其是获得太阳能的能力。不过,这些解决方案大且复杂,需要很多外部部件,并占用宝贵的 PCB 面积。
总结关键的设计问题如下:
● 利用目前的解决方案从太阳能电池板汲取峰值功率不是非常笨重,就是非常昂贵
● 缺乏具内置充电终止功能 (以 >20V的高压工作) 的太阳能供电单片电池充电器 IC 解决方案
● 磷酸铁锂电池有较低浮动电压的特殊充电需求,但是与锂离子/聚合物电池相比有一些优点
简单的解决方案
任何要满足上面讨论的设计限制条件的解决方案,都必须是精小、高压和整体的,其能以内置充电终止功能对应太阳能电源输入电压变化和多种电池化学组成的解决方案。这样的部件,将成为提高全球能量取得,与保存应用安装量的促成因素。
太阳能电源能力和多种化学组成电池的运行
LT3652 IC是以凌力尔特广受欢迎和强大的 LT3650 系列为基础而开发的。它是一个创新、具太阳能电源追踪功能、整体降压电池充电器IC。该部件运用了一种创新的输入电压调节回路,该回路负责控制充电电流,以将输入电压保持在设定的位准上。当LT3652由单块太阳能电池板供电时,输入调节回路强制电池板以峰值输出功率运行。这个独特的输入电压调节回路电路系统提供了与更复杂和更昂贵的 MPPT 方法几乎同样的输出功率。
LT3652可操作于4.95V～32V的宽范围输入,具40V绝对最大额定值,以增加系统裕度。它能够为多种电池组配置充电,包括单颗至三颗串联锂离子/聚合物电池、单颗至四颗串联磷酸铁锂电池、12V密封铅酸 (SLA) 电池、以及高达14.4V的电池。图1为详细信息。
LT3652的充电电流可设定达2A。这款独立型电池充电器无需使用外部微控制器,并具有使用者可选的充电终止功能,包括C/10或一个内部定时器。该部件的1MHz固定开关频率实现了小巧的解决方案外形尺寸。浮动电压回授准确度规定为±0.5%,充电电流准确度为±5%,而 C/10 检测准确度为±2.5%。一旦充电操作终止,LT3652 就自动进入一种低电流待机模式,该模式把输入电源电流减小至85μA。在关机模式中,输入偏置电流减小至15μA。在所有非充电周期,通过从电池泄漏 <1μA 的电流,LT3652 最大限度地延长了电池寿命。对于自主型充电控制,如果电池电压降至编程设定的浮动电压以下达2.5% 时,自动再充电功能就将启动一个新充电周期。其他安全相关的功能包括低电池电量预查验、热敏电阻输入以用于温度合格的充电、坏电池检测和二进制编码状态输出针脚。LT3652采用扁平 (0.75mm) 12引脚3mm x 3mm DFN封装,保证可工作于 -40℃～125℃ 的接面温度范围内。
创新且简单的输入电压调节回路
LT3652的输入电压调节控制回路方法与昂贵的 MPPT 方法相比是非对具有优势的,其提供了几乎同样的效能。输入电压调节回路:
● 从太阳能电池板汲取最大可获得的功率
● 如果电池板输出电压降至编程设定的位准以下,降低充电电流
● 对于所使用的特定太阳能电池板,保持电池板处在对应于峰值输出功率点的输出电压上
● 透过电阻分压器设定想要的特定峰值功率电压
对于图2的应用电路,图2显示作为输入电压函数的最大充电器电流,同时显示在电池板电压下降时,该部件如何降低输出电流。
电压监视器接脚可实现对最小工作电压的设置。从VIN到VIN_REG接脚连接一个电阻分压器,可实现最小输入电源电压的设置,这种方法一般用来为太阳能电池板设置峰值功率电压。当VIN_REG接脚低于 2.7V 的稳压门坎时,则降低最大充电电流。
如果输入电源不能提供足够的功率来满足 LT3652充电器的需求,那么电源电压将崩溃。因此,最低工作电源电压可以透过一个电阻分压器监视该电源来设置,以使想要的最低电压对应于 VIN_REG 接脚的2.7V。LT3652伺服最大输出充电电流,以保持 VIN_REG接脚上的电压等于或高于2.7V。透过如图 3 所示连接一个电阻分压器,可以完成对想要的最低电压的设定。对于想要的最低电压(VIN(MIN)) ,RIN1/RIN2 之比为:
RIN1/RIN2 = (VIN (MIN)/2.7) - 1
如果不使用电压调节功能,那么VIN_REG接脚可以连接到VIN。
MPPT 温度补偿
一个典型的太阳能电池板是由许多串联连接的电池组成,每节电池都是一个正向偏置的p-n 节。因此,单颗太阳能电池的开路电压 (VOC) 具有与普通 p-n 节二极管类似的温度系数,或温度系数约为 -2mV/°C。一个晶体太阳能电池板的峰值功率点电压 (VMP) 可以近似为一个低于VOC的固定电压,因此这个峰值功率点温度系数类似于VOC的温度系数。电池板制造商一般为VOC、VMP和VOC的温度系数规定 25℃ 的值,以此简单地决定一个典型电池板VMP的温度系数。LT3652利用一个回授网络来设定VIN输入稳定电压。网络控制有助于为一个MPPT 应用高效率地实现各种不同的温度补偿方案。
结论
太阳能电源已经从“时髦”变为实用的方案,以住宅和商用大楼而言,最初的应用需要大型电池板,而现在正逐渐变小、不依靠电网的单块电池板应用。在高阶消费性、汽车、工业、路边、海洋和军事领域上,也都已开发了需要这类单块电池板太阳能电源的便携式和非便携式应用。LT3652在电池充电器领域因应了尚未满足的需求,此整体IC,为从太阳能电池板汲取峰值功率提供了一个简单、创新的输入电压控制回路,并具有为多种化学组成充电的能力,包括磷酸铁锂、锂离子/聚合物和密封铅酸电池。同时,该部件还具有快速 2A 充电能力、内置充电终止功能、高压工作、并可组成一个精小而简单的解决方案。
在今日众所关注的“绿色”环保焦点中,太阳能电源是相当令人瞩目的供电方案。而随着使用可再生能源之趋势,同时也促成了太阳能、或风力等替代能源的与日俱增。而在脱离电网 (此时,没有可用的线路电源) 的应用中,太阳能电池板也成为一种富有吸引力的发电替代方案。一般情况下,这类单一电池板可提供 <25W～30W 的功率,且面积不到 4 平方英尺,更低功率的电池板可能更小。太阳能供电之充电系统的目标,是不仅在白天可直接为系统供电,而且还可在阳光最充足的时候为储存单元 (一般是电池) 充电,如此在夜间或阳光不充足的情况下,当电池板输出功率接近零时,电池就可以为系统供电。传统上,这些应用大部分使用密封铅酸 (SLA) 电池作为主要的存储单元,但是,随着应用的外形尺寸减小,锂化学组成正变得越来越常见。
在便携式和非便携式环境中,利用太阳能为这些电池充电已逐渐成为主流。单块太阳能电池板存在于许多新兴应用中,其中包括坚固耐用的军用笔记本电脑、工业库存和销售点 (POS) 管理设备、远程检测单元、便携式汽车诊断设备、海洋太阳能浮标、路标照明、路边紧急电话、人行道指示灯照明、甚至是以太阳能供电的垃圾压缩机等。此外,在许多应用中,也已经出现了磷酸铁锂 (LiFePO4)电池,这种电池比以钴为基础的锂离子聚合物电池 (典型值为4.1V或 4.2V) 提供更高的安全性和更低的浮动电压 (3.6V) 。这种化学组成也有其他很多以钴为基础的锂离子/聚合物电池所具有的优点,包括较低的自放电速率和相对低的重量。此外,相较而言,LiFePO4可提供更长的周期寿命和总寿命、更高的峰值功率额定值、针对更高的热失控电阻而达到更高安全性、以及更小的环境影响。
设计问题
一般情况下,从太阳能电池板汲取峰值功率,不是非常昂贵 (因为使用太阳能电池稳压器模块)就是难以达成,一般需要利用微控制器和大量独立式零部件的复杂电路。这些完整的最大峰值功率追踪 (MPPT) 模块,传统是以大型电池板电源应用为目标,例如住宅或商务大楼,但是,随着所发现太阳能电源的用途越来越广,市场应用情况正在改变。
对于给定数量的光能来说,太阳能电池板具备一个输出电压,在这个输出电压时则产生峰值输出功率。电池板内部的旁路二极管可能产生复杂的功率与电流特性,当电池板上有部分光线被遮住时,这类特性不容易优化。不过,目前市场上几乎所有规定最大输出功率低于25W～30W的12V系统太阳能电池板都是由简单的串联电池配置构成,而不具备旁路二极管。这种类型的配置产生位于窄电池板输出电压频段内的峰值输出功率,而不论光照条件如何。视电池板特性的不同,峰值功率可能从12.5V～18.5V的电池板电压产生。
磷酸铁锂电池可能不可透过标准锂离子/聚合物电池充电器充电,考虑到这类电池3.6V的较低浮充电压特性,如果没有正确充电,可能导致对电池不可修复的损坏。准确的浮动电压充电将延长电池寿命。充电预查验 (慢充) 还有助于避免损坏电池,尤其是在深度放电时。
目前缺乏具内置充电终止功能 (以 >20V的高压工作) 的太阳能供电单片 (内置电源电路) 电池充电器 IC 解决方案。但有一些暂时性解决方案则可完成这个任务,尤其是获得太阳能的能力。不过,这些解决方案大且复杂,需要很多外部部件,并占用宝贵的 PCB 面积。
总结关键的设计问题如下:
● 利用目前的解决方案从太阳能电池板汲取峰值功率不是非常笨重,就是非常昂贵
● 缺乏具内置充电终止功能 (以 >20V的高压工作) 的太阳能供电单片电池充电器 IC 解决方案
● 磷酸铁锂电池有较低浮动电压的特殊充电需求,但是与锂离子/聚合物电池相比有一些优点
简单的解决方案
任何要满足上面讨论的设计限制条件的解决方案,都必须是精小、高压和整体的,其能以内置充电终止功能对应太阳能电源输入电压变化和多种电池化学组成的解决方案。这样的部件,将成为提高全球能量取得,与保存应用安装量的促成因素。
太阳能电源能力和多种化学组成电池的运行
LT3652 IC是以凌力尔特广受欢迎和强大的 LT3650 系列为基础而开发的。它是一个创新、具太阳能电源追踪功能、整体降压电池充电器IC。该部件运用了一种创新的输入电压调节回路,该回路负责控制充电电流,以将输入电压保持在设定的位准上。当LT3652由单块太阳能电池板供电时,输入调节回路强制电池板以峰值输出功率运行。这个独特的输入电压调节回路电路系统提供了与更复杂和更昂贵的 MPPT 方法几乎同样的输出功率。
LT3652可操作于4.95V～32V的宽范围输入,具40V绝对最大额定值,以增加系统裕度。它能够为多种电池组配置充电,包括单颗至三颗串联锂离子/聚合物电池、单颗至四颗串联磷酸铁锂电池、12V密封铅酸 (SLA) 电池、以及高达14.4V的电池。图1为详细信息。
LT3652的充电电流可设定达2A。这款独立型电池充电器无需使用外部微控制器,并具有使用者可选的充电终止功能,包括C/10或一个内部定时器。该部件的1MHz固定开关频率实现了小巧的解决方案外形尺寸。浮动电压回授准确度规定为±0.5%,充电电流准确度为±5%,而 C/10 检测准确度为±2.5%。一旦充电操作终止,LT3652 就自动进入一种低电流待机模式,该模式把输入电源电流减小至85μA。在关机模式中,输入偏置电流减小至15μA。在所有非充电周期,通过从电池泄漏 <1μA 的电流,LT3652 最大限度地延长了电池寿命。对于自主型充电控制,如果电池电压降至编程设定的浮动电压以下达2.5% 时,自动再充电功能就将启动一个新充电周期。其他安全相关的功能包括低电池电量预查验、热敏电阻输入以用于温度合格的充电、坏电池检测和二进制编码状态输出针脚。LT3652采用扁平 (0.75mm) 12引脚3mm x 3mm DFN封装,保证可工作于 -40℃～125℃ 的接面温度范围内。
创新且简单的输入电压调节回路
LT3652的输入电压调节控制回路方法与昂贵的 MPPT 方法相比是非对具有优势的,其提供了几乎同样的效能。输入电压调节回路:
● 从太阳能电池板汲取最大可获得的功率
● 如果电池板输出电压降至编程设定的位准以下,降低充电电流
● 对于所使用的特定太阳能电池板,保持电池板处在对应于峰值输出功率点的输出电压上
● 透过电阻分压器设定想要的特定峰值功率电压
对于图2的应用电路,图2显示作为输入电压函数的最大充电器电流,同时显示在电池板电压下降时,该部件如何降低输出电流。
电压监视器接脚可实现对最小工作电压的设置。从VIN到VIN_REG接脚连接一个电阻分压器,可实现最小输入电源电压的设置,这种方法一般用来为太阳能电池板设置峰值功率电压。当VIN_REG接脚低于 2.7V 的稳压门坎时,则降低最大充电电流。
如果输入电源不能提供足够的功率来满足 LT3652充电器的需求,那么电源电压将崩溃。因此,最低工作电源电压可以透过一个电阻分压器监视该电源来设置,以使想要的最低电压对应于 VIN_REG 接脚的2.7V。LT3652伺服最大输出充电电流,以保持 VIN_REG接脚上的电压等于或高于2.7V。透过如图 3 所示连接一个电阻分压器,可以完成对想要的最低电压的设定。对于想要的最低电压(VIN(MIN)) ,RIN1/RIN2 之比为:
RIN1/RIN2 = (VIN (MIN)/2.7) - 1
如果不使用电压调节功能,那么VIN_REG接脚可以连接到VIN。
MPPT 温度补偿
一个典型的太阳能电池板是由许多串联连接的电池组成,每节电池都是一个正向偏置的p-n 节。因此,单颗太阳能电池的开路电压 (VOC) 具有与普通 p-n 节二极管类似的温度系数,或温度系数约为 -2mV/°C。一个晶体太阳能电池板的峰值功率点电压 (VMP) 可以近似为一个低于VOC的固定电压,因此这个峰值功率点温度系数类似于VOC的温度系数。电池板制造商一般为VOC、VMP和VOC的温度系数规定 25℃ 的值,以此简单地决定一个典型电池板VMP的温度系数。LT3652利用一个回授网络来设定VIN输入稳定电压。网络控制有助于为一个MPPT 应用高效率地实现各种不同的温度补偿方案。
结论
太阳能电源已经从“时髦”变为实用的方案,以住宅和商用大楼而言,最初的应用需要大型电池板,而现在正逐渐变小、不依靠电网的单块电池板应用。在高阶消费性、汽车、工业、路边、海洋和军事领域上,也都已开发了需要这类单块电池板太阳能电源的便携式和非便携式应用。LT3652在电池充电器领域因应了尚未满足的需求,此整体IC,为从太阳能电池板汲取峰值功率提供了一个简单、创新的输入电压控制回路,并具有为多种化学组成充电的能力,包括磷酸铁锂、锂离子/聚合物和密封铅酸电池。同时,该部件还具有快速 2A 充电能力、内置充电终止功能、高压工作、并可组成一个精小而简单的解决方案。