LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2同步降壓電池充電器的深度解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，電池充電器是一個(gè)關(guān)鍵的組成部分。今天我們要深入探討的是LINEAR TECHNOLOGY（現(xiàn)屬Analog Devices）的LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2 400mA同步降壓電池充電器，以及與之配套的DC1977A演示板。

文件下載：DC1977A-B.pdf

一、產(chǎn)品概述

DC1977A演示板展示了LTC4121 - 4.2和LTC4121這兩款40V、400mA同步降壓電池充電器集成電路的特性。該演示板支持LTC4121EUD的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，可優(yōu)化來自光伏電池或高電阻電源的功率傳輸。

LTC4121和LTC4121 - 4.2具備恒流 - 恒壓充電能力，適用于鋰離子或鉛酸電池。其中，LTC4121 - 4.2專門用于為單節(jié)鋰離子電池充電，電池電壓為4.2V；而LTC4121則可以通過電阻分壓器編程，為最高18V的電池電壓充電。

二、性能參數(shù)

這些參數(shù)為我們在實(shí)際應(yīng)用中選擇合適的電源和電池提供了重要依據(jù)。

三、演示板應(yīng)用測試

3.1 測試設(shè)備設(shè)置

參考圖1進(jìn)行測量設(shè)備的設(shè)置和跳線設(shè)置，所有設(shè)備的連接應(yīng)采用開爾文連接方式直接連接到電路板引腳，輸入或輸出引線應(yīng)采用雙絞線。

3.2 測試步驟

1. 將JP1（“MPPT”）設(shè)置為‘ON’，將PS1設(shè)置為3.6V并開啟。
2. 將PS2連接到點(diǎn)A，設(shè)置為15V并開啟。
3. 驗(yàn)證VM1顯示3.3V至3.9V，AM1顯示387mA至417mA，VM2顯示14.5V至15.1V。此時(shí)，LTC4121的 (PV+) 和 (V{IN }) 引腳之間只有一個(gè)串聯(lián)二極管，其作用是防止光伏電池反向饋電。由于單個(gè)二極管的 (V{f}) 不足以激活MPPT功能，LTC4121會(huì)向電池提供全充電電流。
4. 關(guān)閉PS2，將連接移至點(diǎn)B，然后開啟PS2。
5. 再次驗(yàn)證VM1顯示3.3V至3.9V，AM1顯示387mA至417mA，VM2顯示12.6V至13.2V。此時(shí)電源的源阻抗約為 (16 Omega) ，但該阻抗仍允許在不啟用MPPT功能的情況下提供全充電電流。
6. 關(guān)閉PS2，將連接移至點(diǎn)C，然后開啟PS2。
7. 驗(yàn)證VM1顯示3.3V至3.9V，AM1顯示105mA至115mA，VM2顯示10.6V至11.3V。此時(shí)電源的源阻抗為98Ω，MPPT功能已啟用，為了使 (V_{IN }) 保持在編程的MPPT點(diǎn)，輸送到電池的充電電流已減少。
8. 將JP1（“MPPT”）設(shè)置為‘OFF’，測試結(jié)束。

四、工作原理

4.1 LTC4121EUD使能

LTC4121可以通過RUN引腳進(jìn)行啟用或禁用，這一功能可以通過JP2（RUN跳線）來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)JP2處于“ENABLE”位置時(shí)，R3和R4確保只有當(dāng) (V_{in}) 大于4.4V時(shí)，LTC4121才會(huì)被啟用。需要注意的是，不要讓LTC4121的RUN引腳浮空，應(yīng)將JP2設(shè)置為DISABLED或ENABLED位置。

4.2 降壓充電器

LTC4121EUD的核心是降壓拓?fù)潆姵爻潆娖?，它是一個(gè)采用N溝道FET的同步電流模式控制調(diào)節(jié)器。N溝道FET的使用可以最小化傳導(dǎo)損耗，并且只需要一個(gè)外部0.022μF電容來產(chǎn)生高端柵極驅(qū)動(dòng)。

LTC4121EUD可以為最多四個(gè)串聯(lián)的鋰離子電池充電，支持的最大電池電壓為18V。而LTC4121EUD - 4.2則專門優(yōu)化用于將單節(jié)鋰離子電池充電至固定的4.2V電池電壓。

降壓電感中的電流通過一個(gè)小的片上電阻進(jìn)行電流測量，然后回到BAT引腳。電池連接到BAT引腳，這樣LTC4121EUD不僅可以測量逐周期電流，還可以測量平均電流。逐周期電流用于電流模式降壓調(diào)節(jié)器，而平均電流則是由 (R{PROG}) 編程的電池充電電流。在DC1977A上， (R{PROG }=3.01 k Omega) ，因此在MPPT功能不降低電流的情況下， (I(BAT)=402 ~mA) 。

當(dāng)電池處于恒流充電區(qū)域時(shí)，降壓調(diào)節(jié)器作為電流源工作；當(dāng)電池處于恒壓充電區(qū)域時(shí)，它作為經(jīng)典的電壓輸出降壓調(diào)節(jié)器工作。電池充電電流通過公式 (R{PROG }=h{PROG } cdot frac{V{PROG }}{I{CHG }}=986 cdot frac{1.227 V}{0.4}=3.01 k Omega) 進(jìn)行編程。

LTC4121EUD還提供了一個(gè)開關(guān)頻率選擇引腳FREQ，可在750kHz和1.5MHz之間進(jìn)行選擇，這一功能通過JP4（“FREQ”跳線）來實(shí)現(xiàn)。同樣需要注意的是，不要讓LTC4121的FREQ引腳浮空，應(yīng)將JP3設(shè)置為750kHz或1.5MHz位置。

4.3 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

LTC4121EUD為光伏電池或高電阻電源提供了最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能。MPPT引腳允許將MPPT點(diǎn)編程為開路 (V{IN }(V{OC })) 的百分比。演示板通過JP1（“MPPT”跳線）和R1、R2來實(shí)現(xiàn)這一功能。

需要注意的是，MPPT的禁用位置是MPPT引腳連接到 (V{IN }) 。要啟用MPPT，需要將MPPT點(diǎn)設(shè)置為 (V{OC}) 的一個(gè)分?jǐn)?shù)。當(dāng)MPPT啟用時(shí)（不等于 (V{IN }) ），LTC4121EUD會(huì)定期將負(fù)載與電源斷開，并測量無負(fù)載時(shí)的 (V{IN}=V{OC}) 。然后，它會(huì)增加 (V{IN }) 上的負(fù)載以滿足充電器的需求，直到達(dá)到 (V{MPPT}) 閾值，之后不再增加負(fù)載。這樣，MPPT分壓器就可以將所需的MPPT點(diǎn)設(shè)置為無負(fù)載時(shí) (V{IN}) 的百分比。

4.4 電池電容

LTC4121EUD的最大電池電壓為18V，LTC4121EUD - 4.2的最大電池電壓為4.2V。如果沒有電池，Analog Devices建議在BAT引腳上使用47μF的電容。對于LTC4121EUD，電容的電壓額定值需要為25V，因此使用兩個(gè)22μF、25V的MLCC電容；對于LTC4121EUD - 4.2，一個(gè)6.3V的電容就足夠了，使用一個(gè)47μF、6.3V的MLCC電容作為C1，C2不安裝。

4.5 反向阻斷電路

組件Q1、R16和C6構(gòu)成了一個(gè)反向阻斷電路，該電路具有兩個(gè)功能。首先，當(dāng)電源休眠時(shí)（例如，太陽能電池在沒有光照的情況下），該電路可以防止電池反向充電電源。其次，當(dāng)充電電池在沒有輸入電壓的情況下連接到電路時(shí)，電流會(huì)從電池流入BAT引腳并從IN引腳流出，為C4充電。當(dāng)電池電壓超過約10V時(shí)，這種電流浪涌可能會(huì)損壞設(shè)備。不過，如果只使用一兩個(gè)串聯(lián)的鋰離子電池，這通常不是問題。因此，根據(jù)應(yīng)用的不同，這個(gè)反向阻斷電路可能不是必需的。如果不需要反向阻斷功能，C6和R16也可以省略。

五、元件清單

文檔中提供了DC1977A的詳細(xì)元件清單，包括所需的電路組件、額外的演示板電路組件以及硬件部分。這些元件的具體型號(hào)和參數(shù)為我們進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)和組裝提供了詳細(xì)的參考。

六、總結(jié)

LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2同步降壓電池充電器具有高效、寬輸入電壓范圍和最大功率點(diǎn)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種需要電池充電的應(yīng)用場景。通過對DC1977A演示板的測試和對其工作原理的深入理解，我們可以更好地利用這些特性進(jìn)行電子設(shè)備的設(shè)計(jì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求選擇合適的充電器型號(hào)，并合理設(shè)置跳線和參數(shù)。同時(shí)，要注意電池電容和反向阻斷電路的使用，以確保充電器的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

大家在使用LTC4121EUD/LTC4121EUD - 4.2充電器的過程中，有沒有遇到過什么問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。