独立した小型機器のバッテリを充電する小型 2 セル・ソーラーパネル デザインノート491 Fran Hoffart はじめに 低消費電力エレクトロニクスの進歩により、今ではパワーグ リッドから離れた場所にバッテリ駆動センサや他の機器を設 置することが可能になっています。理想的には、パワーグリッ ドに全く依存せずにすむように、バッテリの交換を不要にし て、代わりに太陽エネルギーなどのローカルに利用できる再 生可能エネルギーを使って再充電します。このデザインノー トでは、小型の 2 セル・ソーラーパネルで動作する小型バッ テリ・チャージャの構成方法を説明します。このデザインの 特長は、DC/DC コンバータが電力点制御を行って、 ソーラー パネルから最大電力を引き出すことです。 最大電力点制御の重要性 太陽電池やソーラーパネルは出力電力定格が定められてい ますが、パネルの利用可能な電力は決して一定ではありませ ん。その出力電力は、照度、温度、およびパネルから引き 出される負荷電流に大きく依存します。これを説明するため、 2 セル・ソーラーパネルの一定の照度での V-I 特性を図 1 に示します。I-V 曲線は、短絡（左端）から約 550mA の 負荷電流までほぼ定電流特性を示し、そこから低電流の定 電圧特性へと折れ曲がり、開放回路（右端）で最大電圧に 近づきます。パネルの出力電力曲線は、750mV/530mA のあたりで（I-V 曲線の屈曲点のあたりで）出力電力のピー クを示します。負荷電流が電力ピークを超えて増加すると、 電力曲線は急速にゼロ（左端）に低下します。 同様に、軽 SOLAR PANEL OUTPUT CURRENT 400 300 MAXIMUM POWER POINT 300 200 SOLAR PANEL OUTPUT POWER 200 OPEN-CIRCUIT VOLTAGE 100 0 2 SERIES POLYCRYSTALLINE CELLS 0 200 400 600 800 SOLAR PANEL OUTPUT VOLTAGE (mV) 100 0 1000 DN F01 図 1．ソーラーパネルの出力電圧、電流、および電力 06/11/491 当然、パネルの照度が利用可能な電力に影響を与えます。 光が少ないほど出力電力が減り、光が多いほど電力が増え ます。 照度はピーク出力電力の“値”に直接影響しますが、 電圧スケール上のピークの“位置”にはそれほど影響しませ ん。つまり、照度には関係なく、ピーク電力が生じるパネル の出力電圧は比較的一定に保たれます。このため、 ソーラー パネルの電圧がこのピーク電力電圧（この場合は 750mV） またはそれ以上に留まるように、出力電流を調整することは 有意です。そうすることを、最大電力点制御（MPPC）と呼 びます。 最大電力点制御を行う場合と行わない場合の、充電電流 に対する太陽光の変化の影響を図 2 に示します。 太陽光 が 100% から約 20% まで下がり、再度 100% に変化する ようにシミュレーションしました。 太陽光強度が約 20% 下 がると、ソーラーパネルの出力電圧と電流も下がりますが、 LTC3105 の最大電力点制御により、パネルの出力電圧 がプログラムされた 750mV より低くならないことに注意し てください。これは、ソーラーパネルが（図 2 の右側のプ ロットで示されているように）0V 付近まで落ちないように LTC3105 の出力充電電流を減らすことで行います。 電力 点制御を行わないと、太陽光が少し減少しただけで、充電 電流が完全に停止することがあります。 入力電力制御付きの LTC3105 昇圧コンバータ 400 SHORT-CIRCUIT CURRENT 500 SOLAR PANEL OUTPUT POWER (mW) SOLAR PANEL OUTPUT CURRENT (mA) 600 負荷では、電力はゼロ（右端）に向かって低下しますが、こ れはさほど問題にはなりません。 LTC3105 は主に、低電圧太陽電池や熱電発電機などの 環境エネルギー源からバッテリ充電電力へ電力変換を行うよ うに設計された、同期整流式昇圧 DC/DC コンバータです。 LTC3105 は MPPC を使ってエネルギー源から利用可能な 最大電力を供給します。これは、ソーラーパネルが 0V 付近 まで落ちないように LTC3105 の出力電流を減らすことで 行います。LTC3105 はわずか 250mV の入力で起動する ことができるので、1 セルの太陽電池や直列接続した最多 9 セルないし 10 セルの太陽電池で駆動することができます。 L、LT、LTC、LTM、Linear Technology、Linear の ロ ゴ お よ び Burst Mode はリニアテクノロジー社の登録商標です。他の全ての商標はそれぞれの所 有者に所有権があります。 PANEL OUTPUT (mA) 0 100% 1.0 RELATIVE SUNLIGHT INTENSITY 0.8 60 0.6 40 LTC3105 CHARGE 20 CURRENT 0.4 0.2 SOLAR PANEL OUTPUT VOLTAGE BATTERY VOLTAGE = 3.6V 0 0 10 SECONDS (WITH MAXIMUM POWER POINT CONTROL) 600 400 200 CHARGE CURRENT (mA) 200 100% SOLAR PANEL OUTPUT CURRENT 100% SOLAR PANEL OUTPUT CURRENT 0 RELATIVE SUNLIGHT INTENSITY 60 SOLAR PANEL OUTPUT VOLTAGE LTC3105 40 CHARGE CURRENT 20 BATTERY 0 VOLT.= 3.6V 100% 1.0 0.8 0.6 LTC3105 0.4 CHARGE CURRENT 0.2 0 10 SECONDS (NO MAXIMUM POWER POINT CONTROL) SOLAR PANEL OUTPUT (V) PANEL OUTPUT (mA) 400 SOLAR PANEL OUTPUT (V) CHARGE CURRENT (mA) 600 DN F02 図 2．太陽光強度の変化の充電電流に対する影響 出力切断機能により、他の太陽電池駆動の DC/DC コン バータで多くの場合に必要となる絶縁ダイオードが不要であ り、出力電圧を入力電圧より上にも下にもすることができま す。インピーダンスが比較的に高い電力源で動作できるよ うに、起動時には 400mA のスイッチ電流制限は減少しま すが、コンバータが通常動作になると、多くの低電力ソー ラー・アプリケーションに対して十分な電力を供給します。 さらに、可変出力の 6mA 低損失リニア・レギュレータ、オー プン・ドレインのパワーグッド出力、シャットダウン入力、お よび低消費電力アプリケーションの効率を改善するための ® Burst Mode 動作も備えています。 まとめ 太陽電池駆動のリチウムイオン・バッテリ・チャージャ 昇圧コンバータとして LTC3105 を使い、リチウムイオン・ シャント・チャージャとして LTC4071 を使う、太陽電池駆 動の小型バッテリ・チャージャを図 3 に示します。2 セルの 400mW ソーラーパネルが LTC3105 に入力電力を供給し、 最大太陽光で 60mA を超える充電電流を発生します。図 1 に示すように、最大電力点制御により、ソーラーパネルの電 圧が 750mV の最大電力点より下がらないようにします。コ ンバータの出力電圧は、リチウムイオン・バッテリの 4.2V のフロート電圧よりわずかに高い 4.35V にプログラムされて います。LTC4071 シャント・レギュレータは、バッテリ両端 SOLAR PANEL (2 CELLS) + ISC = 600mA, VOC = 1V – 10µH SW ここで説 明されている回 路が 発 生する電 力はわずか数 100mW ですが、ほとんどの気象条件で 400mAhr のリチ ウムイオン・バッテリを満充電状態に保つのに十分な電力を 供給することができます。 入力電力制御と組み合わせた低 入力電圧により、LTC3105 は低消費電力の太陽電池アプ リケーションに最適です。さらに、戸外環境でのバッテリ寿 命を延ばすために、LTC4071 シャント充電システムは高精 度フロート電圧、充電状態および温度に対する安全機能を 提供して、LTC3105 を補完します。 OUT 1M IN 10µF の電圧を 4.2V に制限します。FBLDO ピンを接地して低 損失レギュレータを 2.2V にプログラムし、それによって「充 電」LED に電力を供給します。この LED は充電中はオンし、 バッテリ電圧がフロート電圧の 40mV 以内になるとオフして、 満充電に近いことを表示します。NTC サーミスタがバッテリ 温度を検出し、バッテリの安全性を増すために高い周囲温 度では LTC4071 のフロート電圧を下げます。 過放電によ るバッテリの損傷を防ぐため、低電圧バッテリ切断機能によ り、バッテリ電圧が 2.7V を下回るとバッテリを負荷から切断 します。 LTC3105 FB 301k MPPC PGOOD MPPC 75k OFF ON OPTIONAL MPPC TEMPERATURE TRACKING, SEE DATA SHEET FOR DETAILS 1µF LDO SHDN 10µF 2.2V FBLDO AUX GND 220Ω ADJ VCC LBSEL BAT LTC4071 LOAD NTC BIAS LED 10k HBO NTC GND CHARGING LED STATUS ON = CHARGING OFF = VBAT APPROACHES VFLOAT OFF = NO BATTERY OR NO VIN 4.2V NTC 10k + 400mAhr Li-Ion POLYMER BATTERY DN F03 図 3．2 セル・ソーラーパネルで動作するリチウムイオン・バッテリ・チャージャ データシートのダウンロード：http://www.linear-tech.co.jp リニアテクノロジー株式会社 102-0094 東京都千代田区紀尾井町 3-6 紀尾井町パークビル 8F TEL(03)5226-7291 FAX(03)5226-0268 http://www.linear-tech.co.jp dn491 LT/AP 0611 • PRINTED IN JAPAN © LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2011