MP2731 - cell Solar MPPT充电器参考设计

MP2731特性

188比分直播吧

• 户外太阳能监控摄像头
• 户外照明
• 电子自行车电池充电器

太阳能充电器系统框图

图2：太阳能充电器系统框图

相关解决方案

此参考设计基于以下MPS解决方案：

MPS集成电路	描述
MP2731	单电池开关充电器与i2C控制和NVDC PPM

太阳能充电器系统规格

参数	规格
输入电压范围	3.7 v至16 v
系统输出电压	可达$V_{BATT}$(约3.6V) + 100mV
系统输出电流	高达4.5A
充电电流	高达4.5A
开关频率	1350khz.
板形式	63年mmx63mmx3mm

太阳能充电器系统设计

MP2731单电池开关充电器

MP2731是4.5A，具有高度集成的开关模式电池充电器，具有用于单电池锂离子或锂聚合物电池的NVDC电源路径管理。

电感选择

电感选择是成本，尺寸和效率之间的权衡。从实际的角度来看，电感纹波电流在最坏情况条件下不应超过最大负载电流的30％。如果MP2731以5V输入电压运行，则在预充电之后发生最大电感电流纹波，并且当恒流（CC）电荷开始时发生。可以估计电感等式（1）：

$$l = \ frac {v_ {in} - v_ {sys}} {\ delta i_ {l \ _max}} \ frac {v_ {sys}} {v_ {in}} {v_ {in} \，x \，f_ {sw}（MHz）}（\ mu h）$$

其中$V_{IN}$为输入电压，$V_{SYS}$为系统电压，$f_{SW}$为开关频率，$\Delta I_{L\_MAX}$为最大电感纹波电流，约为CC充电电流的30%。

峰值电流可以用等式（2）：

$$ i_ {峰值} = i_ {load（max）} \，x \，left（1+ \ frac {\％ripple} {2} \ revaly）（a）$$

MP2731具有4.5A的最大充电电流，但实际充电电流无法达到输入电流限制的该值。对于大多数应用，最188比分直播吧大电感电流纹波设定为0.5A，输入电压为5V输入电压，因此电感为1.5美元\ Mu H $。对于小型应用，请选择188比分直播吧1美元的\ mu H $电感，具有低直流电阻以优化效率。

系统电容器选择

要忽略输出电容的ESR，请使用具有较低ESR的小陶瓷电容器。然后可以估计输出电压纹波等式（3）：

$$ \ delta r = \ frac {\ delta v_ {sys} {v_ {sys}} = \ frac {1- {v_ {sys} over v_ {in}}} {8 \，x \，c_ {sys} \，x \，{f_ {sw}} ^ 2 \，x \，l} \％$$

为了保证±0.5％的系统电压精度，最大输出电压纹波不得超过0.5％（例如0.1％）。最大输出电压纹波在最小系统电压和最大输入电压下发生。

如果$V_{IN} = 5V, V_{SYS} = 3.7V, L = 1\mu H, f_{SW} = 1.35MHz$， $\Delta r = 0.1%，则输出电容$可计算等式（4）：

$$ c_ {sys} = \ frac {1- {v_ {sys} \ over v_ {in}}} {8 \，x \，{f_ {sw}} ^ 2 \，x \，l \，x \，\ delta r} $$

在此示例中，选择$ 22 \ MU F $陶瓷电容。

MPPT理论

太阳能电池板的输出功率由几个因素决定:辐照度、电池板的工作电压和电流以及负载。有一个最大功率点，太阳能电池板输出最优功率给系统（见图3）。最大功率点跟踪技术，例如扰动和观察（P＆O）或增量电导方法，确保太阳能电池板在辐照度变化的条件下在MPPT下运行。

图3：太阳能电池板P-V和I-V曲线

在基于功率的P＆O MPPT算法中，太阳能电池板的电源到电压导数$（DP_O / DV_O）$的作为跟踪参数。使用MPP使用时计算等式（5）：

$$ \ frac {dp_o} {dv_o} = 0 $$

其中$ p_o $是太阳能电池板输出功率，$ v_o $是太阳能电池板输出电压。

MPPT软件实现

P＆O MPPT算法以ABOV半导体的20引脚，8位MC96F1206 MCU实现。与MP2731沟通，我²MCU中的C外设被激活。图4.显示系统级软件流程。

图4:系统级软件流程图

笔记：

在更新I_OFFSET之前，请关闭连接在MP2731的SYS引脚上的其他设备，以确保I_OFFSET被正确校准

如果v，则MCU进入睡眠模式_在输入电源故障。如果V_在足够了，发送了int中断信号以唤醒MCU。然后MCU读取MP2731寄存器并启动寄存器（见表1）。

寄存器地址	价值（十六进制）	价值（垃圾箱）	描述
0x00.	0x7f.	0111 1111.	将输入电流限制设置为3.25a（最大值）。
0x02	0 xdc	1101 1100.	自动输入电流优化被禁用。
0x03	0x50.	0101 0000.	ADC连续转换已启用。
0x08	0x84	1000 0100	终止已启用，禁用WTD和安全时间。
0x0B.	0 xc0	1100 0000.	USB检测已禁用。

通过将输入电流限制设置为最大值，仅通过输入电压限制环路控制面板电压。通过调整输入电压限制环路参考，可以调节PV面板的电压。初始化MP2731后，读取ADC初始值，然后启用充电。

如果VIN_STAT不等于1，则按一个单元增加VIN_REG，然后继续返回上一个VIN_STAT值。如果VIN_REG达到其最大限制，VIN_STAT仍然不等于1，则逐渐降低充电电流并返回到以前的VIN_STAT值。

如果VIN_REG集已达到其极限，则ICC集同时具有最小值。但是，如果VIN_STAT仍然不等于1，单片机进入睡眠模式。同时，MP2731的充电被关闭，直到INT中断唤醒MCU。

如果光伏面板被部分覆盖，并且可以使用传统的P&O MPPT算法跟踪本地MPP，那么每当输入电压标志发生变化时，单片机就会发起扫描。为了找到最佳的功率点，单片机调整MP2731的输入调节电压参考，从面板开路电压的50% (V_OC.)至V的80%_OC.。

在初始扫描后，光伏板运行在最大功率点。为了在不同的负载和辐照度条件下继续跟踪最佳点，P&O算法在MCU上每256ms运行一次（见图5）。

图5：P＆O MPPT算法

图6:电池充电器与MPPT原理图

BOM.

QTY.	裁判	价值	描述	包裹	制造商	制造商P / N.
1	C1	1μF.	陶瓷电容器，25V，X7R	0603	日本村田公司	GRM188R71E105KA12D
1	C2	10µF	陶瓷电容器，50V，X5R	1206.	日本村田公司	GRM31CR61H106KA12L.
1	C4	100nf.	陶瓷电容器，25V，X5R	1206.	日本村田公司	GCM188R71C104KA37D
1	C5	47NF.	陶瓷电容器，25V，X5R	0603	日本村田公司	GRM188R71H473KA61D
1	C7	10µF	陶瓷电容器，16V，X5R	0603	日本村田公司	GRM188R61C106KAALD.
2	C9，C11	22µF	陶瓷电容器，10V，X7R	1206.	日本村田公司	GRM31CR71A226KE15L.
1	C3	NC.	陶瓷电容器	1206.
1	C12.	NC.	陶瓷电容器	0805.
4	C6，C8，C10，C13	NC.	陶瓷电容器	0603
1	L1	1μH	电感器，1μH，21MΩ，7A	SMD.	CYNTEC.	htep32251b-1r0mir-89
1	LED1.		红色LED	0805.	明亮的LED	BL-HUF35A-TRB
2	R1，R2	2kΩ.	薄膜电阻，1％	0603	yageo.	rc0603fr - 072 kl
1	RLIM	1kΩ.	薄膜电阻，1％	0603	yageo.	rc0603fr - 071 kl
4	Rt1 rt2 r8 r9	10 kΩ	薄膜电阻，1％	0603	yageo.	RC0603FR-0710KL.
5	R3，R4，R6，R10，R11	0Ω	薄膜电阻，1％	0603	yageo.	RC0603FR-070rl.
1	R5.	100 kΩ	薄膜电阻，5％	0603	yageo.	RC0603JR-07100K.
1	R7.	NC.	电镀电阻	0603
2	JP1，JP2.		2.54mm连接器
2	JP1，JP2.		2.54毫米短
1	P1		头，5针，双排
10.	GND，DISC，NTC，INT，VREF，NTC_BAT，BATT，GND，DSCL，DSDA		2.54mm连接器
6	VIN，PGND，VBATT，PGND，PGND，VSYS		2毫米销
11.	GND，VPMID，DP，DM，VIN，VBATT，VSYS，GND，SW，BST，Stat		测试点
1	U1.	MP273 1	我2c控制开关充电器与NVDC电源路径和USB OTG	QFN-26 (3.5 mmx 3.5毫米)	议员	MP2731GQC-0001
1	U2.	NC.	Micro-B USB插座	7.5 mmx 2.45 mmx5mm
1	U3.		MCU.	QFN-20 (mmx 3毫米)	ab	MC96F1206USBN.

PCB布局对于稳定的操作至关重要。有关设计常规切换设计时，请参阅图7.并遵循以下指引:

PCB布局

1. 将功率级与地面相邻。
2. 在高电流路径和电流检测电阻迹线中最小化高侧切换节点（SW，电感器）跟踪长度。
3. 保持交换节点短，并远离所有小的控制信号，特别是反馈网络。
4. 将输入电容尽可能接近PMID和PGND引脚。
5. 将输出电感器靠近IC放置，并连接IC的电感和PGND之间的输出电容。
6. 对于高电流应用，电源焊盘（IN，S188比分直播吧W，SYS，BATT和PGND）的引脚应尽可能多地连接到电路板中的多铜。这提高了热性能，因为电路板从IC中传导热量。
7. 通过通孔将接地平面直接连接到所有组件的返回。
8. 如果可能，将通孔放置在IC的保护地线垫片内。
9. 建议使用星际地面设计方法来保持隔离的电路块电流（高功率/低功耗，小信号），从而降低噪声耦合和地面反弹问题。这种设计的单个地面平面提供了良好的效果。通过这种小布局和单个接地平面，没有地面反弹问题，并且具有组件的分离使信号与稳定性要求之间的耦合最小化。
10. 从MCU中拉动连接线（I²c）远离SW模式和铜区域。
11. 将SCL和SDA紧密平行放置。

图7：推荐的PCB布局顶层（红色）和底层（蓝色）

测试结果

图10：充电效率（12V面板不同的电源）

时域波形