低照度時も高効率を維持するソーラーバッテリチャージャ

ソーラーパネルの重要な特性は、照度に関わらずピーク電力出力が比較的一定の動作電圧(VMP)で得られることです(図2参照)。LT3652 2Aバッテリチャージャはこの特性を利用して、入力電圧を安定化することによってソーラーパネルの動作効率を最大限に維持します(特許申請中)。使用可能なソーラー電力がLT3652バッテリチャージャの電力要求に適合していない場合は、入力電圧のレギュレーションによってバッテリ充電電流を減らします。これによりソーラーパネルの負荷を減らしてパネル電圧をVMPに保ち、パネルの出力電力を最大限に引き上げます。ピークパネル効率を実現するこの方法は、最大電力ポイント制御(Maximum Power Point ControlMPPC)と呼ばれます。

17V Vmp solar panel to 3-cell Li-Ion (12.6V) 2A charger

1. 17V VMPソーラーパネルから3セル・リチウムイオン(12.6V)用2Aチャージャへの接続

2. ソーラーパネルは特定の出力電圧VMPで最大電力を発生しますが、照度にはあまり依存しません。LT3652 2Aバッテリチャージャは、入力パネル電圧をVMPに保つことによって、ソーラーパネルの出力電力を最大限に高めます。

MPPCは低照度時のソーラーパネルの効率を最適化しますが、電力レベルが低い時はバッテリチャージャの電力変換効率が低下し、パネルからバッテリへの全体的な電力転送効率を低下させます。ここでは、単純なPWM充電手法を適用することによって、バッテリチャージャの効率を改善する方法を示します。PWM充電は、電力レベルが低い時に、バッテリチャージャからエネルギーを一気に放出させる手法です。

電流モニタステータス・ピンを使用して低電力状態を示す

LT3652のCHRG電流モニタステータス・ピンはバッテリ充電電流の状態を示すもので、ここではPWM機能を制御するために使用します。チャージャの出力電流がC/10を超えるか、プログラムされた最大電流の1/10になると、このピンが"L"になり、出力電流がC/10より低い場合は高インピーダンスになります。低照度の間は、入力レギュレーションループによってチャージャの出力電流をC/10未満に減らすことができ、この結果CHRGピンは高インピーダンスになります。このステータスピンの状態変化はデバイスをディスエーブルするために使われますが、これは、入力レギュレーション電圧VIN(REG)より高いソーラーパネル電圧で下降するしきい値にて入力低電圧ロックアウト(UVLO)をトリガすることによって行います。チャージャがディスエーブルされると、ソーラーパネル電圧がUVLOヒステリシスの範囲内でUVLOの上昇しきい値に達するまで上昇し、チャージャは再びフルパワーでイネーブルされます。イネーブルされたチャージャは、入力電圧レギュレーションによって再度ディスエーブルされるまで充電電流を供給します。このサイクルが繰り返されて一連の高電流バーストからなるチャージャ出力が生成され、これにより、チャージャの効率とソーラー充電システム全体の効率が、あらゆる照度において最大限まで高められます。

高効率リチウムイオンチャージャ

ソーラーパネルからPWM機能を備えた3セル・リチウムイオン・チャージャへの接続を図1に示します。このチャージャは17V入力レギュレーション電圧(「12Vシステム」パネルの一般的なVMP)を採用しており、VIN_REGピンの抵抗分割器R4R5を使用してプログラムされます。その17V定格VMP電圧に近い標準的な12Vシステムソーラーパネルの動作電圧を維持すれば、図3に示すように100%近いパネル効率が得られます。低電力PWM機能は、M1R6R7、およびR8を使用して実装されます。

12V System Efficiency

3. 標準的な「12Vシステム」(VMP = 17V)ソーラーパネルの効率

4は、PWM回路を追加すれば200mA未満のバッテリ充電電流における効率が大幅に向上することを示しています。LT3652のCHRGピンは、必要な充電電流が、プログラムされた最大充電電流である2A1/10、つまり200mAを超えると"L"になります。入力レギュレーションループによって充電電流が200mAレベル未満に減少するとCHRGピンが高インピーダンスになり、これによってM1のゲートをVBATまで上昇させることが可能になって、FET M1がイネーブルされます。このFETR7をグランドまで引き下げ、SHDNピンとR6およびR7からなる抵抗分割器を使用して、入力電圧UVLO機能を作動させます。UVLO機能は、その分割器によって下降しきい値18V、上昇しきい値20Vにプログラムされます。下降しきい値は重要な設計値であり、入力レギュレーション電圧より高い電圧にプログラムしなければならず、なおかつLT3652のシャットダウンしきい値ヒステリシスに基づいて、上昇しきい値より10%低い値とする必要があります。照度が低く、使用可能なパネル電力がLT3652による必要充電電流の供給に十分でない場合は、充電入力電力が使用可能パネル供給電力に等しくなるまで、LT3652の入力電圧レギュレーションが出力充電電流を減らします。入力レギュレーションがアクティブになっている状態では、VINにおけるパネル電圧はプログラム値の17Vピーク電力電圧に維持され、パネルから生成される電力を最大限に高めます。パネルの照度が低下して、使用可能パネル電力が200mA未満の充電電流に相当する値まで下がると、CHRGピンが高インピーダンスになり、M1R6、およびR7を介してUVLO機能がイネーブルされます。

LT3652 Circuit Efficiency

4. 2に示す回路の効率

VINがUVLO下降しきい値よりも低い17Vになると、LT3652はシャットダウンして、すべてのバッテリ充電機能がディスエーブルされます。バッテリチャージャがディスエーブルされるとほぼすべてのパネル出力電流が入力コンデンサ(C1)の充電にあてられ、VINの電圧が20VUVLO上昇しきい値に達するまで上昇してLT3652が再びイネーブルされます。バッテリチャージャは、VIN17Vの入力レギュレーションしきい値より十分に高くなった時点で再度イネーブルされるので、バッテリにはフル充電電流が流れます。バッテリ充電電流レベルが高くなるとCHRGステータスピンが"L"になり、それによってUVLO機能がディスエーブルされます。バッテリチャージャが必要とする電力がソーラーパネルから得られる電力よりも低ければ、パネル電圧はVIN17Vに下がるまで減少し、入力レギュレーションによってバッテリ充電電流が減少して、その電圧が維持されます。充電電流が再び200mAまで下がるとCHRGピンが高インピーダンスになってUVLO回路が再び機能し、ディスエーブル/イネーブルサイクルが繰り返されて一連の充電電流「バースト」が生成されます。これらの平均が、ソーラーパネルの発生する使用可能電力に対応するバッテリ充電電流となります。

5は、図2に示す回路のPWM動作を示したものです。LT3652がディスエーブルされている間、VINの電圧は入力レギュレーションしきい値の17Vからシャットダウンしきい値の20Vまでゆっくりと上昇します。LT3652CHRGピンの電圧は、チャージャがイネーブルされている間は"L"になり、ディスエーブルされている間は"H"になります。チャージャがディスエーブルされている間、パネルのエネルギーは入力コンデンサに保存されるので、パネルの出力電力が途切れることはありません。ソーラーパネルの効率はPWM動作中のパネルの平均電圧に対応し、その値は約18.5Vです。

LT3652 Vin Waveform

5. 2の回路でPWMを動作させた場合のVINの波形

高効率ソーラーバッテリ充電アプリケーションに関するその他の回路や例については、LTジャーナルの記事 "Solar Battery Charger Maintains High Efficiency in Low Light"(低照度時も高効率を維持するソーラーバッテリチャージャ)をご覧ください。

著者

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Jay Celani