BUCK降压拓扑和锂电池充电电路设计

上一篇文章介绍了项目硬件框图中的三个主要部分，分别为BUCK降压拓扑为锂电池充电，BOOST升压拓扑将锂电池电压升至手机充电电压，LDO线性电源为单片机提供稳定3.3V电源。 这篇文章主要来介绍BUCK降压拓扑和锂电池充电电路设计。

在说明锂电池充电管理芯片之前，让我们先回顾下项目需求，在项目中我们也要做到“不要因为走得太远而忘记为什么出发”。

从项目需求中我们可以看出，单节锂电池充电电路需要满足宽电压输入与三段式锂电池充电。 其中单节锂电池指的是单串锂电池并不是只有一块锂电池，可以通过并联多块锂电池来达到增大容量的需求。

什么是三段式锂电池充电呢？ 先来看看三段式锂电池充电曲线。

从图中可以看到锂电池完整的充电过程分为3个阶段（实际使用中多为后两个阶段）。

第一阶段：涓流充电。 当电池电压非常低（典型值是低于恒压充电的66.5%，大概为2.75V）的时候，其内部的锂离子活动性较差，内阻较大，因此只能接受较小的充电电流（一般在30到50mA左右），否则电池容易发热和老化，不仅损害电池寿命，而且有潜在的安全问题，因此把这个阶段称为涓流充电。

第二阶段：恒流充电。 当电池电压高于2.8V以上时，电池的锂离子活动性被充分激活，内阻也较小，所以能够接受大电流的充电。 在这个阶段，可根据锂电池参数设置为最大电流充电，以提高充电速度。

第三阶段：恒压充电，即充电电压恒定（4.2V）。 恒压充电过程充电电流不断下降，一直到电流低于一定值（通常由充电管理芯片设置）后充电停止。 这个过程存在的原因有防止电池过冲，同时让锂电池尽可能存储更多的电量。

通过以上需求的分析，在本项目中最终选择了CN3791，一片国产太阳能充电管理IC。 其具有太阳能最大功率点跟踪功能（MPPT），输入电压范围为4.5V到28V，支持锂电池三段式充电模式，并且可通过电阻设置恒流充电电流和太阳能输入电压，最大充电电流可达4A。 这款芯片采用BUCK降压拓扑。 下面来看看BUCK降压拓扑工作原理。

如图所示为BUCK型降压拓扑原理图，BUCK降压拓扑有两个工作状态，当MOS管导通时二极管截至电流通过MOS管，电感，给输出电容和负载供电，此时电感存储磁场。 当MOS管关断时，由于电感电流不能突变，此时二极管提供续流通路，继续为输出电容和负载进行供电。

通过改变MOS管栅极PWM信号的占空比，便可以改变输出电压,根据以下两个公式可以计算出该拓扑结构的输出电压。

上图是根据CN3791数据手册设计的锂电池充电电路，最大功率点电压由R33和R36两个电阻设置,计算公式可由下式进行计算，我制作过程中将其设置成6V太阳能，你可根据自己需求将其设置成12V，18V等。

电路中可通过电阻设置锂电池恒流充电电流，其内部有120MV电压基准，与采样电阻进行比较，使得充电电流达到恒流状态，其计算公式由下式进行计算。

这里应该有人好奇，通过这个式子是不是只要在不超过锂电池最大充电电流的情况下，可以将采样电阻设置的越小越好，这时电流最大，充电速度是最快的。 下面我们通过计算来说明下。

假设使用一块5W太阳能充电器，并且在整个转化过程中没有能量损耗，将5W的能量完全转换为化学能存储起来。 此时使用=0.05Ω（够小吧）。 来使用公式进行计算下此时电路的具体参数。

恒流电流：

给锂电池的充电功率（取恒流阶段中间值电压3.8V计算）：

神奇的事出现了，在不考虑损耗的情况下，凭空多出了4.12W。 根据能量守恒这种情况是不可能出现，当你使用0.05Ω电阻设置电流时，如果太阳能电池功率不够，充电电流是达不到设置的2.4A的，而是会根据实际太阳能电池最大功率点情况下的电流进行充电。

是不是这样就能正常充电了？ 小编开始也是这样认为的，在PCB打板结束就焊接了一个0.05欧姆电阻上去。 开始充电时还比较正常，锂电池电压从3.6V慢慢的开始升高，经过一段时间等待，充电指示灯显示充电结束。 拿起手中的万用表。 测量了下锂电池电压，电池电压4.12V。 这时开始反问锂电池充电截止电压不是4.2V吗？ 我这块电池坏了？ 于是换了块小容量的电池继续充电。 又是经过漫长的等待充电指示灯显示充电结束。 然而这次电池电压依然为4.12V。 这时我意识到了电路出现了问题。 此时并没有意识到是恒流充电电流设置过大的问题。 后来经过仔细阅读芯片数据手册，发现了文档下面的一行文字。

恒流充电的16%是多少？ 大概算下为384ma,此时锂电池充电阶段应该是处于第三阶段，恒压充电阶段，锂电池电压为4.2V。 如果充电电流小于384ma充电就会截止。 这时打开计算器再来计算一番5W/4.2V=1.19A，还好这时太阳能电池还能提供这么大的电流给电池充电。 也许这就是上了好多年物理课带来的一个理想化概念，在什么情况下计算都使用理想化模型进行计算。

太阳能电池5W为最佳状态（温度适宜，阳光充足）下会达到的状态。 同时还要考虑传输线路上的损耗，BUCK电路的转换效率。 这是一个复杂的计算模型，简单的方法就是实验法测量数据，通过数据来反映系统的真实工作情况。 接着我在一天内测量了多组不同光照下的充电电流，发现电流的波动还是比较大的，有好几组数据都低于恒流充电的16%。

电流是随心所变，电流在锂电池恒流充电过程中变化对电池的变化影响不太，但是如果此时充电阶段进入第三阶段，这时电流的变换使得充电电流低于恒流阶段的16%时，CN3791就会认为充电结束，进入充电结束状态。 事实上这时电池并没有真正的充满。 所以当测量电池电压时仅仅只有4.12V。 至此，这个问题算是解决了。 通过更换0.25Ω的电阻，此类情况再也没出现过。 （这里的阻值可根据太阳能电池板进行设置，尽量满足锂电池能够恒流充电。 同时不能在恒压充电时电流的波动导致电池提前完成充电。 这里的0.25欧姆是比较适合我的板子而已）。

至此太阳能充电器已经满足项目需求了。 支持MPPT最大功率点太阳能跟踪功能，具有三段式锂电池充电功能。