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”。
太阳能电池电压范围 6~24v，支持mppt功能
锂电池充电需求 能够实现三段式锂电池充电
快充协议 支持qc2.0,qc3.0,fcp,afc,apple2.4a等
电源管理实现功能 电量显示，电压检测，过流保护等
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。
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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。
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