上一篇文章介紹了項(xiàng)目硬件框圖中的三個(gè)主要部分，分別為BUCK降壓拓?fù)錇?a target="_blank">鋰電池充電，BOOST升壓拓?fù)鋵囯姵仉妷荷?a target="_blank">手機(jī)充電電壓，LDO線性電源為單片機(jī)提供穩(wěn)定3.3V電源。 這篇文章主要來(lái)介紹BUCK降壓拓?fù)浜弯囯姵爻潆?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/167/" target="_blank">電路設(shè)計(jì)。

在說(shuō)明鋰電池充電管理芯片之前，讓我們先回顧下項(xiàng)目需求，在項(xiàng)目中我們也要做到“不要因?yàn)樽叩锰h(yuǎn)而忘記為什么出發(fā)”。

從項(xiàng)目需求中我們可以看出，單節(jié)鋰電池充電電路需要滿(mǎn)足寬電壓輸入與三段式鋰電池充電。 其中單節(jié)鋰電池指的是單串鋰電池并不是只有一塊鋰電池，可以通過(guò)并聯(lián)多塊鋰電池來(lái)達(dá)到增大容量的需求。

什么是三段式鋰電池充電呢？ 先來(lái)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(guò)程分為3個(gè)階段（實(shí)際使用中多為后兩個(gè)階段）。

第一階段：涓流充電。 當(dāng)電池電壓非常低（典型值是低于恒壓充電的66.5%，大概為2.75V）的時(shí)候，其內(nèi)部的鋰離子活動(dòng)性較差，內(nèi)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(fā)熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問(wèn)題，因此把這個(gè)階段稱(chēng)為涓流充電。

第二階段：恒流充電。 當(dāng)電池電壓高于2.8V以上時(shí)，電池的鋰離子活動(dòng)性被充分激活，內(nèi)阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。 在這個(gè)階段，可根據(jù)鋰電池參數(shù)設(shè)置為最大電流充電，以提高充電速度。

第三階段：恒壓充電，即充電電壓恒定（4.2V）。 恒壓充電過(guò)程充電電流不斷下降，一直到電流低于一定值（通常由充電管理芯片設(shè)置）后充電停止。 這個(gè)過(guò)程存在的原因有防止電池過(guò)沖，同時(shí)讓鋰電池盡可能存儲(chǔ)更多的電量。

通過(guò)以上需求的分析，在本項(xiàng)目中最終選擇了CN3791，一片國(guó)產(chǎn)太陽(yáng)能充電管理IC。 其具有太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤功能（MPPT），輸入電壓范圍為4.5V到28V，支持鋰電池三段式充電模式，并且可通過(guò)電阻設(shè)置恒流充電電流和太陽(yáng)能輸入電壓，最大充電電流可達(dá)4A。 這款芯片采用BUCK降壓拓?fù)洹?下面來(lái)看看BUCK降壓拓?fù)?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/773/" target="_blank">工作原理。

如圖所示為BUCK型降壓拓?fù)湓韴D，BUCK降壓拓?fù)溆袃蓚€(gè)工作狀態(tài)，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)二極管截至電流通過(guò)MOS管，電感，給輸出電容和負(fù)載供電，此時(shí)電感存儲(chǔ)磁場(chǎng)。 當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，由于電感電流不能突變，此時(shí)二極管提供續(xù)流通路，繼續(xù)為輸出電容和負(fù)載進(jìn)行供電。

通過(guò)改變MOS管柵極PWM信號(hào)的占空比，便可以改變輸出電壓,根據(jù)以下兩個(gè)公式可以計(jì)算出該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓。

上圖是根據(jù)CN3791數(shù)據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)的鋰電池充電電路，最大功率點(diǎn)電壓由R33和R36兩個(gè)電阻設(shè)置,計(jì)算公式可由下式進(jìn)行計(jì)算，我制作過(guò)程中將其設(shè)置成6V太陽(yáng)能，你可根據(jù)自己需求將其設(shè)置成12V，18V等。

電路中可通過(guò)電阻設(shè)置鋰電池恒流充電電流，其內(nèi)部有120MV電壓基準(zhǔn)，與采樣電阻進(jìn)行比較，使得充電電流達(dá)到恒流狀態(tài)，其計(jì)算公式由下式進(jìn)行計(jì)算。

這里應(yīng)該有人好奇，通過(guò)這個(gè)式子是不是只要在不超過(guò)鋰電池最大充電電流的情況下，可以將采樣電阻設(shè)置的越小越好，這時(shí)電流最大，充電速度是最快的。 下面我們通過(guò)計(jì)算來(lái)說(shuō)明下。

假設(shè)使用一塊5W太陽(yáng)能充電器，并且在整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中沒(méi)有能量損耗，將5W的能量完全轉(zhuǎn)換為化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)。 此時(shí)使用=0.05Ω（夠小吧）。 來(lái)使用公式進(jìn)行計(jì)算下此時(shí)電路的具體參數(shù)。

恒流電流：

給鋰電池的充電功率（取恒流階段中間值電壓3.8V計(jì)算）：

神奇的事出現(xiàn)了，在不考慮損耗的情況下，憑空多出了4.12W。 根據(jù)能量守恒這種情況是不可能出現(xiàn)，當(dāng)你使用0.05Ω電阻設(shè)置電流時(shí)，如果太陽(yáng)能電池功率不夠，充電電流是達(dá)不到設(shè)置的2.4A的，而是會(huì)根據(jù)實(shí)際太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)情況下的電流進(jìn)行充電。

是不是這樣就能正常充電了？ 小編開(kāi)始也是這樣認(rèn)為的，在PCB打板結(jié)束就焊接了一個(gè)0.05歐姆電阻上去。 開(kāi)始充電時(shí)還比較正常，鋰電池電壓從3.6V慢慢的開(kāi)始升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間等待，充電指示燈顯示充電結(jié)束。 拿起手中的萬(wàn)用表。 測(cè)量了下鋰電池電壓，電池電壓4.12V。 這時(shí)開(kāi)始反問(wèn)鋰電池充電截止電壓不是4.2V嗎？ 我這塊電池壞了？ 于是換了塊小容量的電池繼續(xù)充電。 又是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的等待充電指示燈顯示充電結(jié)束。 然而這次電池電壓依然為4.12V。 這時(shí)我意識(shí)到了電路出現(xiàn)了問(wèn)題。 此時(shí)并沒(méi)有意識(shí)到是恒流充電電流設(shè)置過(guò)大的問(wèn)題。 后來(lái)經(jīng)過(guò)仔細(xì)閱讀芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)了文檔下面的一行文字。

恒流充電的16%是多少？ 大概算下為384ma,此時(shí)鋰電池充電階段應(yīng)該是處于第三階段，恒壓充電階段，鋰電池電壓為4.2V。 如果充電電流小于384ma充電就會(huì)截止。 這時(shí)打開(kāi)計(jì)算器再來(lái)計(jì)算一番5W/4.2V=1.19A，還好這時(shí)太陽(yáng)能電池還能提供這么大的電流給電池充電。 也許這就是上了好多年物理課帶來(lái)的一個(gè)理想化概念，在什么情況下計(jì)算都使用理想化模型進(jìn)行計(jì)算。

太陽(yáng)能電池5W為最佳狀態(tài)（溫度適宜，陽(yáng)光充足）下會(huì)達(dá)到的狀態(tài)。 同時(shí)還要考慮傳輸線路上的損耗，BUCK電路的轉(zhuǎn)換效率。 這是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算模型，簡(jiǎn)單的方法就是實(shí)驗(yàn)法測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)反映系統(tǒng)的真實(shí)工作情況。 接著我在一天內(nèi)測(cè)量了多組不同光照下的充電電流，發(fā)現(xiàn)電流的波動(dòng)還是比較大的，有好幾組數(shù)據(jù)都低于恒流充電的16%。

電流是隨心所變，電流在鋰電池恒流充電過(guò)程中變化對(duì)電池的變化影響不太，但是如果此時(shí)充電階段進(jìn)入第三階段，這時(shí)電流的變換使得充電電流低于恒流階段的16%時(shí)，CN3791就會(huì)認(rèn)為充電結(jié)束，進(jìn)入充電結(jié)束狀態(tài)。 事實(shí)上這時(shí)電池并沒(méi)有真正的充滿(mǎn)。 所以當(dāng)測(cè)量電池電壓時(shí)僅僅只有4.12V。 至此，這個(gè)問(wèn)題算是解決了。 通過(guò)更換0.25Ω的電阻，此類(lèi)情況再也沒(méi)出現(xiàn)過(guò)。 （這里的阻值可根據(jù)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行設(shè)置，盡量滿(mǎn)足鋰電池能夠恒流充電。 同時(shí)不能在恒壓充電時(shí)電流的波動(dòng)導(dǎo)致電池提前完成充電。 這里的0.25歐姆是比較適合我的板子而已）。

至此太陽(yáng)能充電器已經(jīng)滿(mǎn)足項(xiàng)目需求了。 支持MPPT最大功率點(diǎn)太陽(yáng)能跟蹤功能，具有三段式鋰電池充電功能。