基于锂离子电池充电器IC的最大功率点追踪系统
简介
物联网（IoT）时代，更多的连接性意味着更多的户外设备由电池供电并持续通信。而且，越来越多的户外设备现在通过太阳能板来供电。在带有太阳能板的户外设计中，充电器需要实现最大功率点追踪（MPPT）功能。本文介绍了带锂离子电池的太阳能板充电器设计技巧，这种充电器适用于室外太阳能监控摄像头或室外照明设备（见图1）等应用。
图1: 室外监控摄像头和室外照明系统中的太阳能板应用
系统综述
本参考设计基于MPS的MP2731 IC并配合MC96F1206控制器（低成本8051 MCU）开发，适用于中小型太阳能充电解决方案。与传统MPPT系统不同，该系统集成了VIN连接开关、ADC和电压/电流采样电路，因而显著降低了系统成本。系统设计采用扰动观察（P＆O）最大功率点追踪算法，可以实现98％或更高的追踪精度。
图2显示了该参考设计的系统功能框图。其主要模块包括MP2731 、MC96F1206 MCU、电池和系统负载。
图2: MPPT系统功能框图
MP2731的功能特性包括：在9V输入的5W系统中效率高达93％；MPPT精度达到98％；核心电路面积小至25mmx25mm；具有内置强大充电保护功能（包括JEITA和可调安全定时器）的全集成电源开关；具有I2C 接口，用于灵活的系统参数设置和状态报告（请参见图3）。
图3: MPPT控制系统PCB
系统设计
MPPT原理
太阳能板的输出功率取决于几个因素：辐照度、太阳能板的工作电压和电流、负载。通常，系统都存在一个最大功率点，在这一点上太阳能板向系统输出最佳功率（请参见图4）。使用最大功率点追踪技术（例如P＆O或增量电导法）可在变化的辐照条件下主动保持太阳能板在MPPT模式下运行。
图4: 太阳能板的P-V 和I-V曲线
在基于功率的P＆O MPPT算法中，PV面板的功率-电压导数（dP / dV）被用作追踪参数。通过公式（1）可以计算何时达到最大功率点：
$$\frac{dP_{in}}{dV{in}} = 0$$硬件实现
DC / DC变换器通常被用来确保系统内部的MPP优化。高度集成的开关充电器（在此参考设计中为MPS的MP2731）连接在PV面板和电池负载之间。
图5: MP2731功能模块
当面板处于低辐照度时，反向阻断FET Q1用于阻断从电池负载到PV面板的路径。IC的输入电压/电流和输出电压/电流通过一个8位ADC采样。IC支持I2C通信，能够将数字化的电流和电压信息轻松传递给外部MCU。
软件实现
P＆O MPPT算法通过ABOV半导体公司的20引脚8位MC96F1206 MCU实现。需激活MCU的I2C外设，以实现与MP2731之间的通信。
图6: 系统级软件流程图
注意：在更新 IOFFSET, 之前，请关闭连接在MP2731 SYS引脚上的其他设备，以确保IOFFSET的正确校准。
图6显示了系统级软件流程图。当VIN降至欠压保护阈值之下时，MCU进入睡眠模式；当VIN恢复时，将发送中断（INT）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 | 值 (16进制) | 值 (二进制) | 描述 |
| 0x00 | 0x7F | 0111 1111 | 设置最大输入限流值为3.25A |
| 0x02 | 0xDC | 1101 1100 | 禁用自动输入电流优化 |
| 0x03 | 0x50 | 0101 0000 | 启用ADC连续转换 |
| 0x08 | 0x84 | 1000 0100 | 启用终止功能，禁用WTD和安全时间 |
| 0x0B | 0xC0 | 1100 0000 | 禁用USB检测 |
表1: 操作寄存器
将输入电流限制设置为最大值，面板电压将仅由输入电压限制环路控制。调整输入电压限制环路参考电压，就可以调整PV面板电压。MP2731初始化完成后，会读取ADC初始值，然后启用充电功能。
检查VIN_STAT是否等于1。如果不等于1，则将VIN_REG增加一个单位，然后返回到VIN_STAT的先前值。如果VIN_REG达到最大限制，VIN_STAT仍不等于1，则充电电流逐渐减小，并返回到VIN_STAT设置的先前值。
当VIN_REG设置达到限值时，ICC设置为最小值。如果VIN_STAT仍不等于1，则MCU进入睡眠模式，MP2731的充电功能被禁用，直到INT中断功能将MCU唤醒为止。
部分遮蔽时追踪本地MPP
如果PV面板被部分遮蔽，而且可以使用常规P＆O MPPT算法追踪本地MPP，则每次输入电压标志发生变化时，MCU都会启动一次扫描。MCU在面板开路电压（VOC）的50％到80％之间，以100mV的步长调节MP2731的输入稳压参考电压，以找到最佳功率点。
初始扫描之后，PV面板被设置为在最大功率点运行。为了在变化的负载和辐照条件下继续追踪最佳功率点，P＆O算法每256ms在MCU上运行一次（请参见图7）。
图7: P&O MPPT算法
实验结果
图8显示了具有（8V，500mA）MPP的PV面板的MPPT过程。t0之前为空载，PV面板在开路电压下输出12V。MP2731 IC和MCU上电之后，PV面板将以MCU预设的6V输入电压运行。从t0到t2，MCU扫描最大功率点。
在t1处找到最大功率点，但扫描算法继续扫描输入电压，直到功率降至t2处记录的峰值功率的85％。 t2之后，MCU将面板电压设置为扫描出的峰值电源电压，然后激活实时P＆O算法。
图9显示了锂离子电池的完整充电行为。从t0到t1，系统加电并扫描MPP。从t1到t2，随着电池充电电流从恒定电流变为较低值，电池经历了恒流（CC）和恒压（CV）阶段。当电池接近满电时，PV面板的电压将再次开始上升到面板的开路电压。存在轻载条件是因为充满电后电池消耗的负载电流较低。
图8：PV面板从上电到稳态的MPPT过程
图9: 充电周期内的MPPT行为
基于MP2731的MPPT系统具有低电阻和集成MOSFET，可在各种条件下实现高效率（见图10）。
图10: PV面板效率数据（5V, 9V, 12V）
（PV面板电压约为5V）
（PV面板电压约为8V）
图11: 部分遮蔽时的追踪性能
图11显示了部分遮蔽时PV面板的追踪性能。当t0发生部分遮蔽时，PV面板的电压和电流会降低。在t1部分遮蔽消失，MPPT会将PV面板电压调整回MPP级别。
（PV面板电压约为5V）
（PV面板电压约为8V）
图12: 自然光环境下的追踪性能
图12显示了室外自然光下PV面板的追踪性能。太阳辐照度的上下波动会影响PV面板的输出电流。但是，MPP面板电压通常不受辐照度（在此示例中约为8V）的影响。图12显示出有效的MPPT算法能够在不断变化的辐照条件下将MPP保持在8V。
结论
通过消除BOM中的分立式电压和电流采样电路，MP2731锂离子电池充电器IC有效降低了室外物联网系统的成本。其高度集成的低导通电阻可以实现具有紧凑PCB面积的高效系统。未来的产品开发计划将需要适应更高功率、更高电压的应用，需要进一步降低系统静态功耗并为多面板系统开发解决方案。
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