上一篇文章介紹了項目硬件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線性電源為單片機提供穩定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芯片之前，讓我們先回顧下項目需求，在項目中我們也要做到“不要因為走得太遠而忘記為什么出發”。

從項目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并不是只有一塊鋰電池，可以通過并聯多塊鋰電池來達到增大容量的需求。

什么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（實際使用中多為后兩個階段）。

第一階段：涓流充電。 當電池電壓非常低（典型值是低于恒壓充電的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：恒流充電。 當電池電壓高于2.8V以上時，電池的鋰離子活動性被充分激活，內阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。 在這個階段，可根據鋰電池參數設置為最大電流充電，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置）后充電停止。 這個過程存在的原因有防止電池過沖，同時讓鋰電池盡可能存儲更多的電量。

通過以上需求的分析，在本項目中最終選擇了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），輸入電壓范圍為4.5V到28V，支持鋰電池三段式充電模式，并且可通過電阻設置恒流充電電流和太陽能輸入電壓，最大充電電流可達4A。 這款芯片采用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管導通時二極管截至電流通過MOS管，電感，給輸出電容和負載供電，此時電感存儲磁場。 當MOS管關斷時，由于電感電流不能突變，此時二極管提供續流通路，繼續為輸出電容和負載進行供電。

通過改變MOS管柵極PWM信號的占空比，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數據手冊設計的鋰電池充電電路，最大功率點電壓由R33和R36兩個電阻設置,計算公式可由下式進行計算，我制作過程中將其設置成6V太陽能，你可根據自己需求將其設置成12V，18V等。

電路中可通過電阻設置鋰電池恒流充電電流，其內部有120MV電壓基準，與采樣電阻進行比較，使得充電電流達到恒流狀態，其計算公式由下式進行計算。

這里應該有人好奇，通過這個式子是不是只要在不超過鋰電池最大充電電流的情況下，可以將采樣電阻設置的越小越好，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，并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存儲起來。 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參數。

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。 根據能量守恒這種情況是不可能出現，當你使用0.05Ω電阻設置電流時，如果太陽能電池功率不夠，充電電流是達不到設置的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？ 于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。 此時并沒有意識到是恒流充電電流設置過大的問題。 后來經過仔細閱讀芯片數據手冊，發現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,此時鋰電池充電階段應該是處于第三階段，恒壓充電階段，鋰電池電壓為4.2V。 如果充電電流小于384ma充電就會截止。 這時打開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的一個理想化概念，在什么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。 這是一個復雜的計算模型，簡單的方法就是實驗法測量數據，通過數據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，有好幾組數據都低于恒流充電的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于恒流階段的16%時，CN3791就會認為充電結束，進入充電結束狀態。 事實上這時電池并沒有真正的充滿。 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。 （這里的阻值可根據太陽能電池板進行設置，盡量滿足鋰電池能夠恒流充電。 同時不能在恒壓充電時電流的波動導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）。

至此太陽能充電器已經滿足項目需求了。 支持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。