DIY多快充協議太陽能充電器！----鋰電池充電電路

上一篇文章介紹了專案硬體框圖中的三個主要部分，分別為BUCK降壓拓撲為鋰電池充電，BOOST升壓拓撲將鋰電池電壓升至手機充電電壓，LDO線性電源為微控制器提供穩定3.3V電源。這篇文章主要來介紹BUCK降壓拓撲和鋰電池充電電路設計。

在說明鋰電池充電管理晶片之前，讓我們先回顧下專案需求，在專案中我們也要做到“不要因為走得太遠而忘記為什麼出發”。

 

太陽能電池電壓範圍	6~24V，支援MPPT功能
鋰電池充電需求	能夠實現三段式鋰電池充電
快充協議	支援QC2.0,QC3.0,FCP,AFC,Apple2.4A等
電源管理實現功能	電量顯示，電壓檢測，過流保護等

從專案需求中我們可以看出，單節鋰電池充電電路需要滿足寬電壓輸入與三段式鋰電池充電。其中單節鋰電池指的是單串鋰電池並不是只有一塊鋰電池，可以通過並聯多塊鋰電池來達到增大容量的需求。

什麼是三段式鋰電池充電呢？先來看看三段式鋰電池充電曲線。

 

 

從圖中可以看到鋰電池完整的充電過程分為3個階段（實際使用中多為後兩個階段）。

第一階段：涓流充電。當電池電壓非常低（典型值是低於恆壓充電的66.5%，大概為2.75V）的時候，其內部的鋰離子活動性較差，內阻較大，因此只能接受較小的充電電流（一般在30到50mA左右），否則電池容易發熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問題，因此把這個階段稱為涓流充電。

第二階段：恆流充電。當電池電壓高於2.8V以上時，電池的鋰離子活動性被充分啟用，內阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。在這個階段，可根據鋰電池引數設定為最大電流充電，以提高充電速度。

第三階段：恆壓充電，即充電電壓恆定（4.2V）。恆壓充電過程充電電流不斷下降，一直到電流低於一定值（通常由充電管理晶片設定）後充電停止。這個過程存在的原因有防止電池過沖，同時讓鋰電池儘可能儲存更多的電量。

通過以上需求的分析，在本專案中最終選擇了CN3791，一片國產太陽能充電管理IC。其具有太陽能最大功率點跟蹤功能（MPPT），輸入電壓範圍為4.5V到28V，支援鋰電池三段式充電模式，並且可通過電阻設定恆流充電電流和太陽能輸入電壓，最大充電電流可達4A。這款晶片採用BUCK降壓拓撲。下面來看看BUCK降壓拓撲工作原理。

 

 

 

如圖所示為BUCK型降壓拓撲原理圖，BUCK降壓拓撲有兩個工作狀態，當MOS管導通時二極體截至電流通過MOS管，電感，給輸出電容和負載供電，此時電感儲存磁場。當MOS管關斷時，由於電感電流不能突變，此時二極體提供續流通路，繼續為輸出電容和負載進行供電。

通過改變MOS管柵極PWM訊號的佔空比，便可以改變輸出電壓,根據以下兩個公式可以計算出該拓撲結構的輸出電壓。

 

     

 

上圖是根據CN3791資料手冊設計的鋰電池充電電路，最大功率點電壓由R33和R36兩個電阻設定,計算公式可由下式進行計算，我製作過程中將其設定成6V太陽能，你可根據自己需求將其設定成12V，18V等。

電路中可通過電阻設定鋰電池恆流充電電流，其內部有120MV電壓基準，與取樣電阻進行比較，使得充電電流達到恆流狀態，其計算公式由下式進行計算。

這裡應該有人好奇，通過這個式子是不是隻要在不超過鋰電池最大充電電流的情況下，可以將取樣電阻設定的越小越好，這時電流最大，充電速度是最快的。下面我們通過計算來說明下。

假設使用一塊5W太陽能充電器，並且在整個轉化過程中沒有能量損耗，將5W的能量完全轉換為化學能儲存起來。此時使用=0.05Ω（夠小吧）。來使用公式進行計算下此時電路的具體引數。

恆流電流：

給鋰電池的充電功率（取恆流階段中間值電壓3.8V計算）：

神奇的事出現了，在不考慮損耗的情況下，憑空多出了4.12W。根據能量守恆這種情況是不可能出現，當你使用0.05Ω電阻設定電流時，如果太陽能電池功率不夠，充電電流是達不到設定的2.4A的，而是會根據實際太陽能電池最大功率點情況下的電流進行充電。

是不是這樣就能正常充電了？小編開始也是這樣認為的，在PCB打板結束就焊接了一個0.05歐姆電阻上去。開始充電時還比較正常，鋰電池電壓從3.6V慢慢的開始升高，經過一段時間等待，充電指示燈顯示充電結束。拿起手中的萬用表。測量了下鋰電池電壓，電池電壓4.12V。這時開始反問鋰電池充電截止電壓不是4.2V嗎？我這塊電池壞了？於是換了塊小容量的電池繼續充電。又是經過漫長的等待充電指示燈顯示充電結束。然而這次電池電壓依然為4.12V。這時我意識到了電路出現了問題。此時並沒有意識到是恆流充電電流設定過大的問題。後來經過仔細閱讀晶片資料手冊，發現了文件下面的一行文字。

 

 

恆流充電的16%是多少？大概算下為384ma,此時鋰電池充電階段應該是處於第三階段，恆壓充電階段，鋰電池電壓為4.2V。如果充電電流小於384ma充電就會截止。這時開啟計算器再來計算一番5W/4.2V=1.19A，還好這時太陽能電池還能提供這麼大的電流給電池充電。也許這就是上了好多年物理課帶來的一個理想化概念，在什麼情況下計算都使用理想化模型進行計算。

太陽能電池5W為最佳狀態（溫度適宜，陽光充足）下會達到的狀態。同時還要考慮傳輸線路上的損耗，BUCK電路的轉換效率。這是一個複雜的計算模型，簡單的方法就是實驗法測量資料，通過資料來反映系統的真實工作情況。接著我在一天內測量了多組不同光照下的充電電流，發現電流的波動還是比較大的，有好幾組資料都低於恆流充電的16%。

電流是隨心所變，電流在鋰電池恆流充電過程中變化對電池的變化影響不太，但是如果此時充電階段進入第三階段，這時電流的變換使得充電電流低於恆流階段的16%時，CN3791就會認為充電結束，進入充電結束狀態。事實上這時電池並沒有真正的充滿。所以當測量電池電壓時僅僅只有4.12V。至此，這個問題算是解決了。通過更換0.25Ω的電阻，此類情況再也沒出現過。（這裡的阻值可根據太陽能電池板進行設定，儘量滿足鋰電池能夠恆流充電。同時不能在恆壓充電時電流的波動導致電池提前完成充電。這裡的0.25歐姆是比較適合我的板子而已）。

至此太陽能充電器已經滿足專案需求了。支援MPPT最大功率點太陽能跟蹤功能，具有三段式鋰電池充電功能。