AN3392
Application note
Designing with the SPV1020, an interleaved boost converter with
MPPT algorithm
By Domenico Ragonese, Massimiliano Ragusa
Introduction
The SPV1020 is a monolithic DC-DC boost converter designed to maximize the power
generated by photovoltaic panels independent of temperature and the amount of solar
radiation. The optimization of the power conversion is obtained with embedded logic which
performs the MPPT (maximum power point tracking) algorithm on the PV cells connected to
the converter.
One or more converters can be housed in the junction box of PV panels, replacing the
bypass diodes. Because of the fact that the maximum power point is locally computed, the
efficiency at system level is higher compared to the use of conventional topologies, where
the MPPT is computed in the main centralized inverter.
For a cost effective application and miniaturized solution, the SPV1020 embeds the Power
MOSFETs for active switching and synchronous rectification, minimizing the number of
external devices. Furthermore, the 4-phase interleaved topology of the DC-DC converter
avoids the use of electrolytic capacitors, which can severely limit the system lifetime.
The SPV1020 operates at fixed frequency in PWM mode, where the duty cycle is controlled
by embedded logic running a Perturb&Observe MPPT algorithm. The switching frequency,
internally generated and set by default at 100 kHz, is externally adjustable, while the duty
cycle can range from 5% to 90% in steps of 0.2%.
Safety of the application is guaranteed by stopping the drivers in the case of output
overvoltage or overtemperature.
Figure 1.
STEVAL-ISV009V1 demonstration board
May 2012
Doc ID 018749 Rev 1
1/57
www.st.com
Contents
AN3392
Contents
1
2
3
4
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6
Application overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Application information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
SPV1020 description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Output voltage ripple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Application efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
SPV1020 functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.1
6.2
6.3
6.4
Operating modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
OFF-state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Burst mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Normal/MPPT mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
7
Voltage regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
7.1
7.2
7.3
7.4
Overvoltage protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Overcurrent protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Current balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
SPI serial peripheral interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
8
Pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
8.1
Pin connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
9
10
Absolute maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
External component selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
10.1
10.2
10.3
10.4
10.5
10.6
Power and thermal considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Inductor selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Bootstrap capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Internal voltage rail capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Input voltage capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Input voltage partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
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AN3392
Contents
10.7
10.8
10.9
Input voltage sensing capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Output voltage capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Output voltage partitioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
10.10 Output voltage sensing capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
10.11 Internal oscillator frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
10.12 Diode selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
10.13 Protection devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
10.14 Pole-zero compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
11
12
Layout guidelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Bill of material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Appendix A STEVAL-ISV009V1 application diagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Appendix B SPV1020 parallel and series connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
B.1
B.2
SPV1020 parallel connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
SPV1020 series connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Appendix C
C.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Power efficiency, MPPT efficiency and thermal analysis. . . . . . . . . . . . . . 46
13
14
Package mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
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List of figures
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List of figures
Figure 1.
Figure 2.
Figure 3.
Figure 4.
Figure 5.
Figure 6.
Figure 7.
Figure 8.
Figure 9.
Figure 10.
Figure 11.
Figure 12.
Figure 13.
Figure 14.
Figure 15.
Figure 16.
Figure 17.
Figure 18.
Figure 19.
Figure 20.
Figure 21.
Figure 22.
Figure 23.
Figure 24.
Figure 25.
Figure 26.
Figure 27.
Figure 28.
Figure 29.
Figure 30.
Figure 31.
Figure 32.
Figure 33.
Figure 34.
Figure 35.
Figure 36.
Figure 37.
Figure 38.
Figure 39.
Figure 40.
Figure 41.
Figure 42.
Figure 43.
STEVAL-ISV009V1 demonstration board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
SPV1020 output series connection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Photovoltaic system with multi-string inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Photovoltaic panel for a distributed architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Step-up converter single-ended architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Step-up converter in continuous mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Step-up converter in discontinuous mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Boost converter interleaved 4-phase architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Synchronous rectification and zero crossing block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Boost IL-4 and SPV1020 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Step-up current waveforms or interleaved 4-phase architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
SPV1020 general FSM (finite state machine). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Burst mode FSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
SPV1020 MPPT block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
SPV1020 equivalent circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
PV panels, power vs. voltage and current vs. voltage curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
MPPT data flow diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
MPPT concept flow diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Normal/MPPT mode, DCM vs. CM FSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Input voltage partitioning, sample circuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
SPI interface: master/slaves connection example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Frame structure: register read operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Pin connection top view PowerSSO-36 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
STEVAL-ISV009V1 schematic (PowerSSO-36 package). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
PCB layout example (top view). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
PCB layout example (bottom view). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
STEVAL-ISV009V1 application schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
SPV1020, output parallel connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
SPV1020, output series connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Measurement environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Power efficiency vs. output voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Power efficiency vs. output voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Power efficiency vs. output voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
MPPT accuracy vs. output voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
MPPT accuracy vs. output voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
MPPT accuracy vs. output voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Vin = 12 V, Iin = 8 A, VOUT = 36 V, Tamb = 25 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Vin = 12 V, Iin = 8 A, VOUT = 14 V, Tamb = 25 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Vin = 24 V, Iin = 8 A, VOUT = 36 V, Tamb = 25 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Vin = 24 V, Iin = 8 A, VOUT = 26 V, Tamb = 25 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Vin = 30 V, Iin = 8 A, VOUT = 36 V, Tamb = 25 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Vin = 30 V, Iin = 8 A, VOUT = 32 V, Tamb = 25 °C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
PowerSSO-36 package dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4/57
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List of tables
List of tables
Table 1.
Table 2.
Table 3.
Table 4.
Table 5.
Table 6.
Table 7.
Data format for words longer than 8 bits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Commands list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Bill of material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
PowerSSO-36 mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
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