基于LTC4020芯片的单板太阳能供电系统设计

胡瀚+王春芳

摘 要：设计了一款适用于野外小型气象站等设备的小功率储能式单板太阳能供电系统。该供电系统由单块太阳能电池板发电，经过LTC4020芯片控制的buck-boost电路实现稳压输出，不仅为负载供电，同时为锂电池组充电。阳光充足时，该装置为负载供电的同时为蓄电池充电，光照较弱时优先满足负载供电需要，当光照发电不够为负载供电时由蓄电池为负载供电。

关键词：Buck-Boost变换器；太阳能电池板；充电管理；锂电池组

引言

为了对野外环境数据进行实时监测，一些小型检测设备如小型气象站、小型水质检测站等需安装在没有供电的地方。如何为这些小型设备安全可靠地供電成为一个比较棘手的问题。而带有储能的单板太阳能供电系统具有体积小、可靠性高、寿命长、成本低等特点，非常适用于为此类监测设备供电。为此本文设计了一款基于LTC4020芯片的单板太阳能供电系统，并做了相关仿真及实验。

1 单板太阳能供电系统结构及原理

单板太阳能供电系统主要由太阳能电池板、稳压及充电电路、蓄电池组及用电负载等组成。太阳能电池板选用BCT260-24型单板，开路电压43.2V，最佳工作电压为34.4V，最大功率260W。主电路采用如图1所示的buck-boost电路，其主要由四只MOSFET开关管构成，其中开关管B与开关管D用于实现对电路的检测。控制电路采用LTC4020芯片控制，该芯片是一款具有多项保护功能的稳压及充电管理芯片，其具有多种充电模式，可以为不同电压的锂电池或者铅酸蓄电池充电。本装置选用了一款24V24AH锂电池组，充电模式为恒流/恒压充电。主电路工作频率由外接于控制芯片的电阻设置，本设计将工作频率设定在250k以减小电感体积[1-2]。

LTC4020芯片采用平均电流模式控制[3-4]，当输入电压Uin大于所设定的输出电压Uout时，主电路工作在降压状态，开关管V1与开关管V2由LTC4020 相应引脚产生的PWM波驱动，理论上开关管V3保持断开状态，开关管V4持续导通，电路等效为buck电路，如图2所示，通过控制开关管V1（即buck开关管）的占空比调节输出电压。由于开关管V4采用自举驱动，开关管V3在每个周期需要导通150nS以上，这段时间禁止开关管V4导通。

当输入电压Uin小于所设定的输出电压Uout时，电路工作在升压状态，开关管V1保持开通，开关管V2关断，开关管V3与开关管V4由相应引脚产生的PWM波驱动，电路等效如图3所示，通过调整开关管V3（即boost开关管）的占空比调节输出电压。

当输入电压 Uin与输出电压Uout相近时，电路工作于升降压状态，四个开关管均由PWM波驱动。

2 实验验证

为了测试实验参数制作了一台样机，记录了蓄电池的充电曲线。由于太阳能电池板电压变化较慢，而主电路工作频率较高，因此，仿真及测试中采用了不同电压的直流源模拟太阳能电池板作为输入。实验中分别采用了15V与36V直流源，测试了其在buck和boost模式下的工作状况。

该电路为锂电池充电过程分为三个阶段，既涓流充电、横流充电和恒压充电，如图4所示。涓流充电阶段：在充电初期电池上电压较低，采用浮充的方式充电至18V，浮充阶段充电电流较小。横流充电阶段：当电压超过18V后，充电进入恒流充电模式，充电电流维持在6.2A，在此阶段电池电压快速上升，电压上升至25V。恒压充电阶段：充电电压为25V，保持电压不变，充电电流快速下降，充电电流小于0.1C既可认为充电完成。

3 结束语

本文采用凌特半导体公司生产的LTC4020芯片设计了一款小型太阳能供电系统，其带有蓄电池储能，适用于野外小型气象站等设备供电。通过实验证明了文中设计方案的可行性。

参考文献

[1]Steve Knoth.用一款简单的解决方案实现复杂的高压、大电流电池充电系统[J].中国集成电路，2014，23（10）：37-40.

[2]Jay Celani.用于48V电源的完整单IC电源管理电池维护/后备系统[J].中国集成电路，2014，23（12）：89-91.

[3]俞鹏，王明渝，邓湘鄂，等.基于平均电流控制的宽范围输入双管Buck-Boost电路[C].第五届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集，2011.

[4]颜湘武，王杨，葛小凤，等.双管Buck-Boost变换器的带输入电压前馈双闭环控制策略[J].电力自动化设备，2016，36（10）：65-70，77.

作者简介：胡瀚（1990-），男，硕士研究生，研究方向：电力电子电能变换技术。