中華の格安Li-ionソーラー充電モジュール CN3791 その1

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ESP8266 を使って、デジタル百葉箱を作りたいな～と思っていて、どうやって電源を確保しようか検討中。

太陽電池＋リチウムイオン二次電池で電源を賄う可能性を探るため、aliexpress を漁って見つけたのが、この充電モジュール（送料込380円）。

www.aliexpress.com

中国 Consonance Electronic（如韵电子）社の CN3791 という Li-ion 充電制御ICを使用したモジュールで、この値段で MPPT（最大電力点追従）制御もついているらしい。

で、CN3791 についてはネット上でも言及が少なく、日本語の情報は見当たらない。そこでデータシートを読みながら、このモジュールの動作について解析してみる。

データシートはこちら：http://www.consonance-elec.com/pdf/datasheet/DSE-CN3791.pdf

MPPTとは

MPPT（最大電力点追従）は、太陽電池の運転効率を最大限に引き出すための技術で、詳しい説明は各自ググるか、以下のリンクを参照してほしい。

MPPT方式 | 太陽光発電の仕組み

太陽電池MPPT制御電圧制御MPPT回路の自作 - 日々の記録

2番目の記事の補足をすると、普通の降圧 DC/DC を太陽電池入力で使うと

雲が出て太陽電池の発電電力が低下する
DC/DC の入力電圧が下がると出力電圧も下がる
デューティ比を上げて（電圧が下がった分、代わりに電流をたくさん吸って）出力電力を保とうとする
入力電流が増加して太陽電池電圧がさらに下がる
3.に戻る
最終的にデューティ比が 100% になり、太陽電池電圧＝蓄電池電圧になる

という負のスパイラルに陥ってしまうので、太陽電池を電源とする DC/DC では「入力電力が減少したら出力を絞る」制御、つまり MPPT が必要になる。

CN3791 の主な機能（データシートから抜粋）

太陽電池入力対応、MPPT 制御
降圧 DC/DC 方式
充電終止電圧 4.2V±1%（過電圧保護付き）
最大充電電流 4A（電流検出抵抗の値により変更可能）

モジュールの回路

回路構成はオーソドックスな降圧 DC/DC。ほぼ typical application circuit と一緒だが、前段に回路が追加されている点が異なる。

f:id:hunamizawa:20191016170256p:plain — データシートより抜粋、赤字および青枠内は筆者追記

追加された回路

CN3791 | Tech Obsessed

上の記事の受け売りをすると、この部分は、太陽電池の逆接続からの保護と、バッテリーから太陽電池への逆流防止を兼ねている。Pch-MOSFET を用いた逆接続防止回路は定番で、解説は他に譲る。

ラジオペンチ Pch MOSFETによるハイサイド電源スイッチと逆接防止回路

パワーMOS FETで逆接続による回路焼損防止回路: エアーバリアブルブログ

CN3791 の CHRG ピンはオープンドレイン出力で、充電中は Low (= GND) にプルダウンされ、D4 が点灯する。この時、FET のゲートも 20kΩ の抵抗を介して GND にプルダウンされ、FET が完全に導通する。

充電が完了すると CHRG ピンはハイインピーダンスになり、FET のゲートは 320kΩ の抵抗によりソース電圧にプルアップされ、FET がオフになる。この場合でも、順方向への電流はボディダイオードを介して流れるので、CN3791 は太陽電池から電力供給を受けられる。*1

「逆接続を防止する」ということは「逆向きの電流を通さない」、つまりバッテリーから太陽電池への逆流を防くことにもなる。このモジュールでは少しでも損失を減らすため D1 が省略されているので、この回路は必須となる。*2

最大充電電流の設定

バッテリーの最大充電電流 $I_{CH}$ は、電流検出抵抗 $R_{CS}$ に依存し、次式で決定される。

$I_{CH} = \frac{120\,\mathrm{mV}}{I_{CS}}$

このモジュールでは 40mΩ が実装されているので、最大充電電流は 0.12V ÷ 0.040Ω = 3.0A となる。

太陽電池電圧の設定

MPPT の方式は「山登り法」などいろいろあるが、CN3791 で採用しているのはごく単純なものである。最大電力点 $V_{MPPT}$ は周囲の環境（特に温度）により変化するが、そのへんは妥協して「 $V_{MPPT}$ は〇〇V」と決め打ちして、その電圧から大きく外れないようにデューティ比を制御するだけである。

具体的には、MPPT ピンの電圧が 1.205 V (Typ.)*3 付近になるように充電電流を増減させる。MPPT ピンには、太陽電池からの入力を抵抗 R3 と R4 で分圧して入れる。R3 と R4 の値は次式で決定する。

$V_{MPPT} = 1.205 \left( 1+\frac{\mathrm{R3}}{\mathrm{R4}} \right)$

このモジュールは R3 = 180kΩ、R4 = 20kΩ なので、 $V_{MPPT} = 12.05\,\mathrm{V}$ となる。R3 と R4 の分圧比を変えることで、6V や 9V の太陽電池用のモジュールを製造することができ、実際このモジュールは 9V 用と 12V 用がラインナップされている。

充電開始条件

以下の条件がすべて満たされると、CN3791 は充電動作を開始する。

低電圧リセットが解除されている i.e. $V_{CC} \gt V_{UVLO} \left(V_{UVLO}=3.8\,\mathrm{V\,typ.}\right)$
スリープモードから復帰している i.e. $V_{CC}-V_{BAT} \gt V_{SLPR} \left(V_{SLPR}=0.32\,\mathrm{V\,typ.}\right)$
MPPT ピンの電圧が 1.23V 以上*4 *5