MP2731 单节电池太阳能MPPT充电器参考设计

MP2731 功能特性

应用

• 户外太阳能监控摄像头
• 户外照明
• 电动自行车电池充电器

太阳能供电系统功能框图

图2: 太阳能供电系统功能框图

解决方案

该参考设计基于以下MPS解决方案：

MPS IC	描述
MP2731	带I2C控制和NVDC PPM的单电池开关充电器

太阳能供电系统规格

参数	规格
输入电压范围	3.7V 至 16V
系统输出电压	最高VBATTVBATT (约3.6V) + 100mV
系统输出电流	最高4.5A
充电电流	最高4.5A
开关频率	1350kHz
外形尺寸	63mmx63mmx3mm

太阳能供电系统设计

MP2731单电池开关充电器

MP2731是一款充电电流高达4.5A的高集成开关充电器，带NVDC功率路径管理，支持单节锂离子或锂聚合物电池。

电感选择

电感的选择关乎到成本、尺寸和效率的权衡。从实际角度来看，电感纹波电流在最坏情况下也不应超过最大负载电流的30％。假设MP2731在5V输入电压下工作，则最大电感电流纹波会发生在预充电之后、恒流（CC）充电开始之时。电感可以通过公式（1）计算得出：

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

其中VIN为输入电压，VSYS为系统电压，fSW为开关频率，而ΔIL_MAX为最大电感纹波电流，约为恒流充电电流的30％。

峰值电流可以通过 公式 (2)计算得出：

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

MP2731最大充电电流为4.5A，但由于输入电流限制，实际充电电流无法达到该值。对大多数应用来说，在5V输入电压下，最大电感电流纹波设置为0.5A，因此电感为1.5μH。对于小型应用，需要选择直流电阻较低的1.0μH电感，以优化效率。

系统电容选择

为尽量降低输出电容的ESR，需要采用ESR较低的小型陶瓷电容。然后通过公式（3）得出输出电压纹波：

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

最大输出电压纹波出现在最小系统电压和最大输入电压条件下。为确保±0.5％的系统电压精度，最大输出电压纹波不能超过0.5％（例如0.1％）。

如果VIN = 5V，VSYS = 3.7V，L =1μH，fSW = 1.35MHz VIN = 5V，VSYS = 3.7V，L =1μH，fSW = 1.35MHz，且Δr= 0.1，则可通过公式（4）计算输出电容器的值：

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

在此示例中，我们采用22μF陶瓷电容器。

最大功率点跟踪（MPPT）原理

太阳能电池板的输出功率取决于几个因素：辐照度、电池板的工作电压和电流，以及负载。太阳能电池板有一个最大功率点，可以向系统输出最佳功率（请参见图3）。最大功率点跟踪技术，例如扰动观察(P&O)法或增量电导法，可确保太阳能电池板在辐照度变化的条件下跟踪最大功率点。

图3：太阳能电池板的P-V和I-V曲线

在基于功率的P＆O MPPT算法中，太阳能电池板的功率-电压导数（dPO / dVO）被用作跟踪参数，通过公式（5）计算何时达到最大功率点：

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

其中PO为太阳能电池板的输出功率，VO是太阳能电池板的输出电压。

MPPT软件实施

本参考设计中的P&O MPPT算法通过ABOV Semiconductor的20引脚8位MC96F1206 MCU实现。该MCU中的I²C外设被激活，以实现与MP2731的通信。图4显示了系统级软件流程图。

图4: 系统级软件流程图

注意：

在更新I_OFFSET之前，请关闭MP2731 SYS引脚上连接的其他设备，以确保正确校准I_OFFSET

如果VIN出现故障，则MCU进入睡眠模式。当VIN恢复正常时，将发送INT中断信号以唤醒MCU。之后，MCU读取MP2731寄存器，并启动寄存器 （见表1）。

寄存器地址	Hex值	Bin值	描述
0x00	0x7F	0111 1111	将输入电流限制设置为3.25A（最大）
0x02	0xDC	1101 1100	禁用输入电流自动优化
0x03	0x50	0101 0000	启用ADC连续转换
0x08	0x84	1000 0100	启用终端，禁用WTD和安全定时器
0x0B	0xC0	1100 0000	禁用USB检测

将输入电流限制设置为其最大值，光伏面板电压将仅由输入电压限制环路控制。然后，通过调节输入电压限制环路的参考电压，就可以调节光伏面板的电压。初始化MP2731后，读取ADC初始值，然后启用充电功能。

如果VIN_STAT不等于1，则将VIN_REG增加一个单位，然后再返回到之前的VIN_STAT值。如果VIN_REG已达到最大限值，VIN_STAT仍不等于1，则逐渐减小充电电流并返回到先前的VIN_STAT值。

当VIN_REG设置达到其限值，同时ICC设置达到最小值的时候，如果VIN_STAT仍不等于1，则MCU进入睡眠模式。同时，MP2731充电被禁用，直到INT中断唤醒MCU。

如果光伏面板被部分遮蔽，并且可以使用常规P＆O MPPT算法跟踪本地MPP，则每次输入电压标志发生变化时，MCU都会启动扫描。为了找到最佳功率点，MCU在面板开路电压(V_OC)的50％至80％范围内，以100mV的步长调节MP2731的输入电压环的参考电压。

初始扫描之后，光伏面板在最大功率点运行。为了在变化的负载和辐照条件下继续跟踪最佳功率点，P＆O算法每256ms在MCU上运行一次（请参见图5）。

图5: P&O MPPT算法

图6：电池充电器MPPT原理图

BOM

Ref	数量	值	封装	器件编号	制造商
C1, C8, C10	3	1μF	0603	GRM188R71E105KA12D	muRata
C2	1	4.7μF	0805	GRM21BR61E475KA12L	muRata
C4	1	100nF	0603	GCM188R71C104KA37D	muRata
C5	1	470nF	0603	GRM188R61E474KA12D	muRata
C7	1	10μF	0603	GRM188R61C106KAALD	muRata
C9	1	10μF	0805	GRM21BC81E106KE11L	muRata
C12	1	4.7μF	0805	GRM21BR61E475KA12L	muRata
C3	1	NC	1206		muRata
C6	1	NC	0603		muRata
L1	1	1uH	SMD	HTEP32251B-1R0MIR-89	Cyntec
LED1	1	BL-HUF35A-TRB	0805	BL-HUF35A-TRB	BRIGHT LED
R1,R2	2	2kΩ	0603	RC0603FR-072KL	Yageo
RILIM	1	30.9kΩ	0603	RC0603FR-0730K9L	Yageo
RT2	1	15kΩ	0603	RC0603FR-0710KL	Yageo
RT1, R8, R9	3	10kΩ	0603	RC0603FR-0710KL	Yageo
R3, R6, R10, R11, R4	5	0Ω	0603	RC0603FR-070RL	Yageo
R5	1	100kΩ	0603	RC0603JR-07100KL	Yageo
JP1	1		Header, 100mil, 3 x 1
JP2	1		Header, 100mil, 2 x 1
P1	1		5x2 shrouded header
GND, VPMID, DP, DM, VIN, VBATT, VSYS, SW, BST, STAT	10		Test point
VIN, PGND, VBATT, PGND, PGND, VSYS	6		2mm
U1	1		FCQFN (3.5x3.5mm)	MP2731GQC	MPS
U2	1	NC	7.5mmx 2.45mmx5mm
U3	1		QFN-20 (3mmx3mm)	MC96F1206USBN	ABOV

PCB布局

PPCB布局对于稳定运行至关重要。 为获得最佳效果，在设计时，请参考图7并遵循以下准则：

1. 将功率级走线靠近地线
2. 尽量减少大电流路径和电流采样电阻走线上的上管开关节点（SW，电感）走线长度.
3. 开关节点走线要尽量短，且远离所有小的控制信号，尤其是反馈网络
4. 输入电容应尽可能靠近PMID和PGND引脚
5. 输出电感尽量靠近IC放置，并将输出电容连接在电感和IC的PGND之间
6. 对于大电流应用，电源焊盘引脚（IN、SW、SYS、BATT和PGND）附近应该尽可能多的覆铜，这会提高散热性能。
7. 通过通孔将接地层直接连接到所有元件的回路
8. 如果可能，在IC的PGND焊盘内设置通孔
9. 建议使用星形接地设计方法来保持模块电流隔离（大功率/低功率，小信号），这样可以减少噪声耦合和接地反弹问题。本设计采用的单个接地层可以提供良好的效果。这种小型布局和单个接地层不会出现接地反弹问题，而且将各组件隔离可以最大程度地减少信号之间的耦合，满足稳定性要求。
10. 将与MCU（I²C）的连接线远离SW节点和覆铜区域
11. 将SCL和SDA靠近平行放置

图7：推荐PCB布局：顶层布局（红色）和底层布局（蓝色）

测试结果

图10：充电效率（具有不同功率的12V面板）

时域波形