MP2731 シングルセルソーラーMPPTチャージャのリファレンスデザイン

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MP2731 - MC96F1206を搭載したシングルセルスイッチングチャージャ

インターネット (IoT) が特徴の時代において、コネクティビティが高まるということは、バッテリ駆動で常時通信を行う屋外デバイスが増えていることを意味します。特に、ソーラーパネルから電力を供給される屋外デバイスの数が増えています。当リファレンスデザインはソーラーパネルを使用した屋外用設計における最大電力点追従機能 (MPPT) 用です。リチウムイオンバッテリを使用したソーラーパネルチャージャー用の設計のヒントを示しており、屋外ソーラー監視カメラや屋外照明などのようなアプリケーションに適しています。

このリファレンスデザインは、MPSのシングルセルのスイッチングチャージャICであるMP2731、そしてMC96F1206コントローラ (低コストの8051 MCU) に基づいて開発されています。これは中小規模のソーラー給電ソリューションに適しています。MP2731は、VIN接続スイッチャ、ADC、および電圧 / 電流検出回路を集積しており、システムのサイズとコストを大幅に削減します。このリファレンスデザインは、MPPTの「山登り (perturb-and-observe, P&O)」アルゴリズムを使用して、最小でも98%の追跡精度を実現します。

MP2731の機能


  • 3.7V~16Vの広い動作入力範囲
  • 最大22Vの持続可能な入力電圧
  • 最大4.5Aの給電電流
  • 9V入力5Wシステムで最大93%の給電効率
  • 最大98%のMPPT精度
  • スタンバイモードで41.5μAまでの低バッテリ電流
  • シッピングモードで13μAまでの低バッテリ電流
  • システムインスタントオンとバッテリ補足をサポートするNVDC PPM
  • 柔軟なシステムパラメータ設定とステータスレポートのためのI2Cインタフェース
  • 調整可能なJEITAおよび安全タイマを含む堅牢な給電保護
  • 25mm x 25mmコア回路エリアで利用可能
eval board

図1: 評価ボード

アプリケーション

  • 屋外ソーラー監視カメラ
  • 屋外照明
  • 電動自転車バッテリチャージャ

ソーラーチャージャシステムのブロック図

Block Diagram

図2: ソーラーチャージャシステムのブロック図

関連ソリューション

このリファレンスデザインは、次のMPSソリューションに基づいています。

MPS IC 説明
MP2731 I2C制御とNVDC PPM機能付きシングルセルスイッチングチャージャ

 

ソーラー給電システムの仕様

パラメータ 仕様
入力電圧範囲 3.7V~16V
システム出力電圧 $V_{BATT}$ (3.6V程度) + 100mVまで
システム出力電流 最大4.5A
給電電流 最大4.5A
スイッチング周波数 1350kHz
基板形状 63mm x 63mm x 3mm

 

ソーラー給電システムの設計

MP2731シングルセルスイッチングチャージャ

MP2731は、4.5Aの高度に集積されたスイッチモードバッテリチャージャで、シングルセルリチウムイオンまたはリチウムポリマー電池用のNVDCパワーパス管理を備えています。

インダクタの選択

インダクタの選択は、コスト、サイズ、および効率の間のトレードオフです。実用的な観点から、インダクタのリップル電流は、最悪の場合の条件下で最大負荷電流の30%を超えてはなりません。MP2731が5Vの入力電圧で動作する場合、最大インダクタ電流リップルは、プリチャージ後、および定電流 (CC) 充電が開始されたときに発生します。インダクタンスは次の式 (1) で見積もることができます。

$$ L= \frac { V_{IN} - V_{SYS} }{ \Delta I_{L\_MAX}} \frac {V_{SYS}}{V_{IN}\, x \, f_{SW}(MHz)}(\mu H)$$

ここで$V_{IN}$は入力電圧であり、$V_{SYS}$はシステム電圧、$f_{SW}$はスイッチング周波数、そして$\Delta I_{L\_MAX}$はCC給電電流の30%程度の最大インダクタリップル電流です。

ピーク電流は式 (2) で計算できます。

$$I_{PEAK} = I_{LOAD(MAX)}\, x\, \left(1+ \frac{\%ripple}{2}\right)(A)$$

MP2731の最大給電電流は4.5Aですが、実際の給電電流は入力電流制限のためこの値に達することはありません。ほとんどのアプリケーションでは、最大インダクタ電流リップルは、5Vの入力電圧で0.5Aに設定されています。したがってインダクタは1.5μHです。小さなアプリケーションのためには、効率最適化のため低いDC抵抗と1.0μHのインダクタを選択します。

システムコンデンサの選択

出力コンデンサのESRを無視するには、ESRの低い小さなセラミックコンデンサを使用します。出力電圧リップルはしたがって式 (3) で推定できます。

$$\Delta r = \frac{\Delta V_{SYS}}{V_{SYS}} = \frac {1-{V_{SYS}\over V_{IN}}}{8\,x\,C_{SYS}\,x\,{f_{SW}}^2\,x\,L} \%$$

±0.5%のシステム電圧精度を保証するには、最大出力電圧リップルが0.5%を超えてはなりません (0.1%など)。最大出力電圧リップルは、最小システム電圧と最大入力電圧で発生します。

もし$V_{IN} = 5V、V_{SYS} = 3.7V、L = 1\mu H、f_{SW} = 1.35MHz$、および$\Delta r = 0.1%,$のとき、出力コンデンサは式 (4) で計算できます。

$$C_{SYS} = \frac {1-{V_{SYS}\over V_{IN}}}{8\,x\,{f_{SW}}^2\,x\,L\,x\,\Delta r}$$

この例では、$22\mu F$のセラミックコンデンサを選択します。

MPPT理論

ソーラーパネルからの出力電力は、放射照度レベル、パネルの動作電圧と電流、負荷など、いくつかの要因によって決まります。ソーラーパネルがシステムに最適な電力を出力する最大電力点があります (図3を参照)。摂動観測 (P&O) や増分コンダクタンス法などの最大電力点追従技術により、放射照度が変化する条件下でソーラーパネルがMPPTで動作することが保証されます。

図3: ソーラーパネルのP-V曲線とI-V曲線

電力ベースのP&O MPPTアルゴリズムでは、ソーラーパネルの電力対電圧導関数 $(dP_O/dV_O)$ が追跡パラメータとして使用されます。式 (5) を使用してMPPに達したときを計算します。

$$\frac{dP_O}{dV_O}=0$$

ここで、$P_O$は、太陽電池パネル出力であり、そして$V_O$はソーラーパネルの出力電圧です。

MPPTソフトウェアの実装

P&O MPPTアルゴリズムは、ABOV Semiconductor社の20 ピン、8ビット MC96F1206 MCUに実装されています。MP2731と通信するために、MCUのI2Cペリフェラルが有効化されます。図4は、システムレベルのソフトウェアフローを示しています。

Figure 4: System-Level Software Flowchart

図4: システムレベルのソフトウェアフローチャート

注:

I _OFFSETを更新する前に、MP2731のSYSピンに接続されている他のデバイスの電源をオフにして、I_ OFFSETが正しく校正されていることを確認してください。

VINで入力電源異常が発生すると、MCUはスリープモードになります。VINが十分な場合、MCUをウェイクアップさせるためにINT割り込み信号が送信されます。次に、MCU はMP2731のレジスタを読み取り、それらのレジスタを初期化します(表を参照)

レジスタのアドレス 値 (16 進数) 値 (2進数) 説明
0x00 0x7F 0111 1111 入力電流制限を3.25A (最大) に設定します。
0x02 0xDC 1101 1100 自動入力電流最適化は無効になっています。
0x03 0x50 0101 0000 ADC連続変換を有効にします。
0x08 0x84 1000 0100 終了を有効とし、WTDと安全時間を無効とします。
0x0B 0xC0 1100 0000 USB検出を無効とします。

 

入力電流制限を最大値に設定することで、パネル電圧は入力電圧制限ループのみによって制御されます。入力電圧制限ループ基準を調整することで、PVパネルの電圧を調整できます。MP2731の初期化後、ADCの初期値を読み出し、給電を可能にします。

VIN_STATが1に等しくない場合は、VIN_REGを1単位増やしてから、前のVIN_STAT値に戻ります。VIN_REGが最大制限に達し、VIN_STATがまだ1に等しくない場合は、給電電流を徐々に減らして、前のVIN_STAT値に戻します。

VIN_REGセットが限度に達した場合、ICCセットには同時に最小値があります。ただし、それでもVIN_STATが1に等しくない場合、MCUはスリープモードになります。その間、MP2731の給電は、INT割り込みがMCUをウェイクアップするまで無効になります。

PVパネルが部分的に覆われていて、従来のP&O MPPTアルゴリズムを使用してローカルMPPを追跡できる場合、MCUは入力電圧フラグが変化するたびにスキャンを開始します。MCUは、MP2731の入力レギュレーション電圧基準を、パネルの開放電圧 (VOC) の50%からVOCの80%まで100mVのステップで調整して、最適な電力点をスキャンします。

最初のスキャンの後、PVパネルは最大電力点で動作するように設定されます。負荷と日射状態の変化する条件の下で最適点を追跡し続けるために、P&OアルゴリズムはMCUで256msごとに実行されます (図5を参照)

図5 : P&O MPPTアルゴリズム

図6: MPPT回路図を備えたバッテリチャージャ

部品表

数量 参照記号 説明 パッケージ メーカー メーカー製品番号
1 C1 1μF セラミックコンデンサ、25V、X7R 0603 Murata GRM188R71E105KA12D
1 C2 10μF セラミックコンデンサ、50V、X5R 1206 村田製作所 GRM31CR61H106KA12L
1 C4 100nF セラミックコンデンサ、25V、X5R 1206 村田製作所 GCM188R71C104KA37D
1 C5 47nF セラミックコンデンサ、25V、X5R 0603 村田製作所 GRM188R71H473KA61D
1 C7 10μF セラミックコンデンサ、16V、X5R 0603 村田製作所 GRM188R61C106KAALD
2 C9, C11 22μF セラミックコンデンサ、10V、X7R 1206 村田製作所 GRM31CR71A226KE15L
1 C3 NC セラミックコンデンサ 1206    
1 C12 NC セラミックコンデンサ 0805    
4 C6, C8, C10, C13 NC セラミックコンデンサ 0603    
1 L1 1μH インダクタ、1μH、21mΩ、7A SMD Cyntec HTEP32251B-1R0MIR-89
1 LED1   赤色LED 0805 Bright LED BL-HUF35A-TRB
2 R1, R2 2kΩ フィルム抵抗器、1% 0603 YAGEO RC0603FR-072KL
1 RLIM 1kΩ フィルム抵抗器、1% 0603 YAGEO RC0603FR-071KL
4 RT1, RT2, R8, R9 10kΩ フィルム抵抗器、1% 0603 YAGEO RC0603FR-0710KL
5 R3, R4, R6, R10, R11 フィルム抵抗器、1% 0603 YAGEO RC0603FR-070RL
1 R5 100kΩ フィルム抵抗器、5% 0603 YAGEO RC0603JR-07100KL
1 R7 NC フィルム抵抗器 0603    
2 JP1, JP2   2.54mmコネクタ      
2 JP1, JP2   2.54mmショート      
1 P1   ヘッダー、5ピン、2列      
10 GND, DISC, NTC, INT, VREF, NTC_BAT, BATT, GND, DSCL, DSDA   2.54mmコネクタ      
6 VIN, PGND, VBATT, PGND, PGND, VSYS   2mmピン      
11 GND, VPMID, DP, DM, VIN, VBATT, VSYS, GND, SW, BST, STAT   テストポイント      
1 U1 MP273 1 I2C制御NVDC電力経路とUSBチャージャとスイッチングOTG QFN-26 (3.5mm x 3.5mm) MPS MP2731GQC-0001
1 U2 NC Micro-B USBレセプタクル 7.5mm x 2.45mm x 5mm    
1 U3   MCU QFN-20 (3mm x 3mm) ABOV MC96F1206USBN

PCBレイアウトは、安定した動作のために重要です。一般的なスイッチング設計を行う際の最良の結果については、図7を参照し、以下のガイドラインに従ってください。

PCBレイアウト

  1. 電力段をグランドに隣接して配線します。
  2. 大電流パスと電流検出抵抗トレースの両方で、ハイサイドスイッチングノード (SW、インダクタ) のトレース長を最小化します。
  3. スイッチングノードを短くし、すべての小さな制御信号、特にフィードバックネットワークから離して配線します。
  4. 入力コンデンサをPMIDピンとPGNDピンのできるだけ近くに配置します。
  5. 出力インダクタをICの近くに配置し、出力コンデンサをインダクタとICのPGNDの間に接続します。
  6. 大電流アプリケーションの場合、電源パッド (IN、SW、SYS、BATT、およびPGND) のピンは、ボード内のできるだけ多くの銅線に接続する必要があります。これにより、ボードがICから熱を伝導するため、熱性能が向上します。 
  7. グランドプレーンをスルーホールを介してすべての部品のリターンに直接接続します。
  8. 可能であれば、ICのPGNDパッドの内側にスルーホールを配置します。
  9. スターグランド設計アプローチを使用して、回路ブロック電流を分離 (高電力 / 低電力、小信号) に保つことをお勧めします。これにより、ノイズ結合とグランドバウンスの問題が軽減されます。この設計の単一のグランドプレーンは、良好な結果をもたらします。この小さなレイアウトと単一のグランドプレーンにより、グランドバウンスの問題は発生せず、部品を分離することで、信号間の結合と安定性の要件を最小限に抑えることができます。 
  10. 接続ワイヤをMCU (I2C) からSWモードおよび銅線領域からできるだけ遠ざけます。 
  11. SCLとSDAをほぼ並列に配置します。

図7: 推奨されるPCBレイアウト最上層 (赤) と最下層 (青)

試験結果

図8: 給電効率 (異なる電力の5Vパネル)

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図9: 給電効率 (異なる電力の9Vパネル)

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図10: 給電効率 (異なる電力の12Vパネル)

時間領域の波形

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図11: 電源投入から定常状態までのPVパネルのMPPTプロセス

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図13: 部分的にシェーディングされた (陰に) なったときと影がなくなったときのパネルのパフォーマンスの追跡 (5Vパネル)

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図15: 日射量変化の追跡性能 (5Vパネル)

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図12: 給電サイクル中のMPPTの動作

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図14: 部分的にシェーディングされたときと影がなくなったときのパネルのパフォーマンスの追跡 (8Vパネル)

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図16: 日射量変化の追跡性能 (8Vパネル)