【導讀】物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代，更多的連接性意味著(zhù)更多的戶(hù)外設備由電池供電并持續通信。而且，越來(lái)越多的戶(hù)外設備現在通過(guò)太陽(yáng)能板來(lái)供電。在帶有太陽(yáng)能板的戶(hù)外設計中，充電器需要實(shí)現最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）功能。本文介紹了帶鋰離子電池的太陽(yáng)能板充電器設計技巧，這種充電器適用于室外太陽(yáng)能監控攝像頭或室外照明設備（見(jiàn)圖1）等應用。
圖1: 室外監控攝像頭和室外照明系統中的太陽(yáng)能板應用
系統綜述
本參考設計基于MPS的MP2731 IC并配合MC96F1206控制器（低成本8051 MCU）開(kāi)發(fā)，適用于中小型太陽(yáng)能充電解決方案。與傳統MPPT系統不同，該系統集成了VIN連接開(kāi)關(guān)、ADC和電壓/電流采樣電路，因而顯著(zhù)降低了系統成本。系統設計采用擾動(dòng)觀(guān)察（P＆O）最大功率點(diǎn)追蹤算法，可以實(shí)現98％或更高的追蹤精度。
圖2顯示了該參考設計的系統功能框圖。其主要模塊包括MP2731 、MC96F1206 MCU、電池和系統負載。
圖2: MPPT系統功能框圖
MP2731的功能特性包括：在9V輸入的5W系統中效率高達93％；MPPT精度達到98％；核心電路面積小至25mmx25mm；具有內置強大充電保護功能（包括JEITA和可調安全定時(shí)器）的全集成電源開(kāi)關(guān)；具有I2C 接口，用于靈活的系統參數設置和狀態(tài)報告（請參見(jiàn)圖3）。
圖3: MPPT控制系統PCB
系統設計
MPPT原理
太陽(yáng)能板的輸出功率取決于幾個(gè)因素：輻照度、太陽(yáng)能板的工作電壓和電流、負載。通常，系統都存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，在這一點(diǎn)上太陽(yáng)能板向系統輸出最佳功率（請參見(jiàn)圖4）。使用最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)（例如P＆O或增量電導法）可在變化的輻照條件下主動(dòng)保持太陽(yáng)能板在MPPT模式下運行。
圖4: 太陽(yáng)能板的P-V 和I-V曲線(xiàn)
在基于功率的P＆O MPPT算法中，PV面板的功率-電壓導數（dP / dV）被用作追蹤參數。通過(guò)公式（1）可以計算何時(shí)達到最大功率點(diǎn)：
硬件實(shí)現
DC / DC變換器通常被用來(lái)確保系統內部的MPP優(yōu)化。高度集成的開(kāi)關(guān)充電器（在此參考設計中為MPS的MP2731）連接在PV面板和電池負載之間。
圖5: MP2731功能模塊
當面板處于低輻照度時(shí)，反向阻斷FET Q1用于阻斷從電池負載到PV面板的路徑。IC的輸入電壓/電流和輸出電壓/電流通過(guò)一個(gè)8位ADC采樣。IC支持I2C通信，能夠將數字化的電流和電壓信息輕松傳遞給外部MCU。
軟件實(shí)現
P＆O MPPT算法通過(guò)ABOV半導體公司的20引腳8位MC96F1206 MCU實(shí)現。需激活MCU的I2C外設，以實(shí)現與MP2731之間的通信。
圖6: 系統級軟件流程圖
注意：在更新 IOFFSET, 之前，請關(guān)閉連接在MP2731 SYS引腳上的其他設備，以確保IOFFSET的正確校準。 圖6顯示了系統級軟件流程圖。當VIN降至欠壓保護閾值之下時(shí)，MCU進(jìn)入睡眠模式；當VIN恢復時(shí)，將發(fā)送中斷（INT）信號以喚醒MCU。然后，MCU讀取MP2731
表1: 操作寄存器
將輸入電流限制設置為最大值，面板電壓將僅由輸入電壓限制環(huán)路控制。調整輸入電壓限制環(huán)路參考電壓，就可以調整PV面板電壓。MP2731初始化完成后，會(huì )讀取ADC初始值，然后啟用充電功能。
檢查VIN_STAT是否等于1。如果不等于1，則將VIN_REG增加一個(gè)單位，然后返回到VIN_STAT的先前值。如果VIN_REG達到最大限制，VIN_STAT仍不等于1，則充電電流逐漸減小，并返回到VIN_STAT設置的先前值。
當VIN_REG設置達到限值時(shí)，ICC設置為最小值。如果VIN_STAT仍不等于1，則MCU進(jìn)入睡眠模式，MP2731的充電功能被禁用，直到INT中斷功能將MCU喚醒為止。
部分遮蔽時(shí)追蹤本地MPP
如果PV面板被部分遮蔽，而且可以使用常規P＆O MPPT算法追蹤本地MPP，則每次輸入電壓標志發(fā)生變化時(shí)，MCU都會(huì )啟動(dòng)一次掃描。MCU在面板開(kāi)路電壓（VOC）的50％到80％之間，以100mV的步長(cháng)調節M(mǎn)P2731的輸入穩壓參考電壓，以找到最佳功率點(diǎn)。
初始掃描之后，PV面板被設置為在最大功率點(diǎn)運行。為了在變化的負載和輻照條件下繼續追蹤最佳功率點(diǎn)，P＆O算法每256ms在MCU上運行一次（請參見(jiàn)圖7）。
圖7: P&O MPPT算法
實(shí)驗結果
圖8顯示了具有（8V，500mA）MPP的PV面板的MPPT過(guò)程。t0之前為空載，PV面板在開(kāi)路電壓下輸出12V。MP2731 IC和MCU上電之后，PV面板將以MCU預設的6V輸入電壓運行。從t0到t2，MCU掃描最大功率點(diǎn)。
在t1處找到最大功率點(diǎn)，但掃描算法繼續掃描輸入電壓，直到功率降至t2處記錄的峰值功率的85％。 t2之后，MCU將面板電壓設置為掃描出的峰值電源電壓，然后激活實(shí)時(shí)P＆O算法。
圖9顯示了鋰離子電池的完整充電行為。從t0到t1，系統加電并掃描MPP。從t1到t2，隨著(zhù)電池充電電流從恒定電流變?yōu)檩^低值，電池經(jīng)歷了恒流（CC）和恒壓（CV）階段。當電池接近滿(mǎn)電時(shí)，PV面板的電壓將再次開(kāi)始上升到面板的開(kāi)路電壓。存在輕載條件是因為充滿(mǎn)電后電池消耗的負載電流較低。
圖8：PV面板從上電到穩態(tài)的MPPT過(guò)程
圖9: 充電周期內的MPPT行為
基于MP2731的MPPT系統具有低電阻和集成MOSFET，可在各種條件下實(shí)現高效率（見(jiàn)圖10）。
圖10: PV面板效率數據（5V, 9V, 12V）
（PV面板電壓約為5V）
（PV面板電壓約為8V）
圖11: 部分遮蔽時(shí)的追蹤性能
圖11顯示了部分遮蔽時(shí)PV面板的追蹤性能。當t0發(fā)生部分遮蔽時(shí)，PV面板的電壓和電流會(huì )降低。在t1部分遮蔽消失，MPPT會(huì )將PV面板電壓調整回MPP級別。
（PV面板電壓約為5V）
（PV面板電壓約為8V）
圖12: 自然光環(huán)境下的追蹤性能
圖12顯示了室外自然光下PV面板的追蹤性能。太陽(yáng)輻照度的上下波動(dòng)會(huì )影響PV面板的輸出電流。但是，MPP面板電壓通常不受輻照度（在此示例中約為8V）的影響。圖12顯示出有效的MPPT算法能夠在不斷變化的輻照條件下將MPP保持在8V。
結論
通過(guò)消除BOM中的分立式電壓和電流采樣電路，MP2731鋰離子電池充電器IC有效降低了室外物聯(lián)網(wǎng)系統的成本。其高度集成的低導通電阻可以實(shí)現具有緊湊PCB面積的高效系統。未來(lái)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)計劃將需要適應更高功率、更高電壓的應用，需要進(jìn)一步降低系統靜態(tài)功耗并為多面板系統開(kāi)發(fā)解決方案。
來(lái)源：MPS
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