【導讀】物聯網（IoT）時代，更多的連接性意味著更多的戶外設備由電池供電并持續通信。而且，越來越多的戶外設備現在通過太陽能板來供電。在帶有太陽能板的戶外設計中，充電器需要實現最大功率點追蹤（MPPT）功能。本文介紹了帶鋰離子電池的太陽能板充電器設計技巧，這種充電器適用于室外太陽能監控攝像頭或室外照明設備（見圖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）開發，適用于中小型太陽能充電解決方案。與傳統MPPT系統不同，該系統集成了VIN連接開關、ADC和電壓/電流采樣電路，因而顯著降低了系統成本。系統設計采用擾動觀察（P＆O）最大功率點追蹤算法，可以實現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和可調安全定時器）的全集成電源開關；具有I2C 接口，用于靈活的系統參數設置和狀態報告（請參見圖3）。
圖3: MPPT控制系統PCB
系統設計
MPPT原理
太陽能板的輸出功率取決于幾個因素：輻照度、太陽能板的工作電壓和電流、負載。通常，系統都存在一個最大功率點，在這一點上太陽能板向系統輸出最佳功率（請參見圖4）。使用最大功率點追蹤技術（例如P＆O或增量電導法）可在變化的輻照條件下主動保持太陽能板在MPPT模式下運行。
圖4: 太陽能板的P-V 和I-V曲線
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。通過公式（1）可以計算何時達到最大功率點：
硬件實現
DC / DC變換器通常被用來確保系統內部的MPP優化。高度集成的開關充電器（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，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/電流通過一個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。
軟件實現
P＆O MPPT算法通過ABOV半導體公司的20引腳8位MC96F1206 MCU實現。需激活MCU的I2C外設，以實現與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，MCU進入睡眠模式；當VIN恢復時，將發送中斷（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路控制。調整輸入電壓限制環路參考電壓，就可以調整PV面板電壓。MP2731初始化完成后，會讀取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，ICC設置為最小值。如果VIN_STAT仍不等于1，則MCU進入睡眠模式，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生變化時，MCU都會啟動一次掃描。MCU在面板開路電壓（VOC）的50％到80％之間，以100mV的步長調節MP2731的輸入穩壓參考電壓，以找到最佳功率點。
初始掃描之后，PV面板被設置為在最大功率點運行。為了在變化的負載和輻照條件下繼續追蹤最佳功率點，P＆O算法每256ms在MCU上運行一次（請參見圖7）。
圖7: P&O MPPT算法
實驗結果
圖8顯示了具有（8V，500mA）MPP的PV面板的MPPT過程。t0之前為空載，PV面板在開路電壓下輸出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。
在t1處找到最大功率點，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，然后激活實時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，隨著電池充電電流從恒定電流變為較低值，電池經歷了恒流（CC）和恒壓（CV）階段。當電池接近滿電時，PV面板的電壓將再次開始上升到面板的開路電壓。存在輕載條件是因為充滿電后電池消耗的負載電流較低。
圖8：PV面板從上電到穩態的MPPT過程
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，可在各種條件下實現高效率（見圖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: 部分遮蔽時的追蹤性能
圖11顯示了部分遮蔽時PV面板的追蹤性能。當t0發生部分遮蔽時，PV面板的電壓和電流會降低。在t1部分遮蔽消失，MPPT會將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。太陽輻照度的上下波動會影響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網系統的成本。其高度集成的低導通電阻可以實現具有緊湊PCB面積的高效系統。未來的產品開發計劃將需要適應更高功率、更高電壓的應用，需要進一步降低系統靜態功耗并為多面板系統開發解決方案。
來源：MPS
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