太阳能LED路灯的设计优化

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的无污染的洁净能源，已被公认为未来解决能源危机的最有效能源。LED灯具有寿命长、高效节能、环保等优势。因此，把太阳能与LED路灯有机地结合在一起，开发出太阳能LED灯照明控制器非常重要。目前市场上很多太阳能控制器，都是采用直充方式充电，没有对蓄电池进行管理控制，导致能源利用率不高，可靠性不强。下面介绍一款基于STC12C5410AD的双Buck的太阳能LED路灯照明控制器，采用最大功率点充电，充分利用太阳能电池板的能量，对蓄电池进行浮充充电，防止蓄电池假充满的现象；对LED路灯采用二段式的恒流控制，以增强LED灯的使用寿命，实现了一种环保节能的照明模式，解决了市场上一些太阳能控制器的缺陷，是一种性价较高的产品。

1.系统分析

太阳能LED路灯照明控制系统原理图如图所示。系统包括：太阳能电池、电压电流采集模块、同步Buck模块、蓄电池、LED路灯和STC智能控制器。太阳能电池组件为系统提供能源，通过采集太阳能电池板上的电压来判别是白天、黑夜，当检测电池板的电压高于一定值时，进入白天模式，此时：STC智能控制器通过所采集的太阳能电池板两端的电压和充电电流，控制同步Buck工作，实现对蓄电池的最大功率跟踪（MPPT）充电，当蓄电池的电压达到一定值时，进入浮充充电模式，实时采集蓄电池两端的电压，防止蓄电池过充、过放；当检测电池板的电压小于一定值时，进入黑夜模式，此时：打开并控制后级同步Buck电路，实现对LED路灯的恒流控制。

图6-15　系统框图

太阳能LED路灯照明控制系统主要应用场合是针对户外或者景观区地带。灯具选用单个1W的LED，6个并联、3个串联组成一个18W的LED路灯，日工作10个小时，前5个小时全功率工作，后5个小时半功率Phalf=9W工工作。如果地区峰值日照时数tmax为3.5h，假设路灯系统需要保持的连续阴雨天数d为7天，两个连续阴雨天之间的间隔数d’为7天，蓄电池放电效率放为90%，蓄电池放电深度D为0.75，这时蓄电池的容量W蓄为：

所以选择12V、120Ah的铅酸蓄电池。蓄电池单日所需的充电量W1为：

设蓄电池充电效率充为85%，太阳能电池板的峰值功率为Wsun，太阳能电池组件系统综合损失系数为1.1，则：

根据上述结果可以选择一块峰值功率为115W的太阳能电池板。

2.硬件电路设计

太阳能最大功率点跟踪控制所需的DC-DC 模块包括：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk等拓扑方式，通过对四种电路方案的比较，本文选用Buck电路。为追踪太阳能最大功率点实现最大能量利用，前级的DC-DC电路曾采用四种Buck驱动方案：利用PMOS做Buck；独立电源加光耦；基于IR2110的Buck电路；基于IR2104的同步Buck电路。对四种驱动方案进行了比较分析：PMOS由于导通阻抗较大，PMOS发热严重，工作效率低，只适用于电压值比较低、工作效率要求不高的场合；独立电源加光耦，需要制作一个独立电源来隔离光耦两边的地；使用IR2110高压自举芯片做驱动，必须严格遵守工作所需的条件，需加电阻放掉Buck后级储能滤波电容中的电，才能正常启动；基于IR2110的Buck电路，防反充二极管须加在Buck电路输出端，在电流比较小的情况下，工作尚可；当电流较大时，Buck电路中续流二极管的消耗就会增加。为了减小续流二极管的损耗，最后选择了基于IR2104的同步Buck电路，其电路原理图如图6-16所示。

图6-16　同步Buck充电控制电路

IR2104芯片内部已经接有下拉电阻到地，其控制端/SD，当系统未开启工作时，/SD置零，防止开关管误操作损害开关管和芯片；当系统正常工作时，/SD置1，使能IR2104。IN是PWM信号输入端，LO是低端MOS管驱动输出，HO是高端MOS管驱动输出。IR2104高端利用自举电路的原理提供高压悬浮驱动，VCC由12V铅酸蓄电池直接提供，通过自举二极管和自举电容，周期性地充放电，达到自举的目的。IR2104最大工作电压可达到600V，死区时间为520ns，是同步Buck电路MOS管驱动的一种可行性方案，能大大提高DC-DC转换效率。采用同步Buck电路，在后级接一个防倒灌二极管给蓄电池充电，其工作良好。

太阳能充电电流采集采用0.03Ω的采样电阻进行采样，并选取MAX4080TASA芯片进行电压放大，放大倍数为20倍，可检测到的最大电流达到8.3A。电压采集采用电阻分压降压的采集方法。模数地加磁珠分离，以减小模拟地对系统的干扰。(www.xing528.com)

采集上来的数据通过射随跟随器跟随，以提高所采集数据的精确度。采用双层防雷保护措施，选取压敏电阻接大地和控制前级Buck电路使能端共同作用。当没有雷电时，压敏电阻阻值比较大；当有雷电时，压敏电阻阻值变小，高压脉冲通过压敏电阻到地，把能量通过大地流走。当系统检测到太阳电池板的电压降到一定值时，就把IR2104的控制端置零，使Buck停止工作，保护后级电路不受雷电的影响。

LED路灯的驱动同样采用同步Buck电路，其驱动控制电路如图6-17所示，通过检测采集上来的电流信号，STC单片机控制PWM信号输出，实现恒流控制。采用同步Buck转换效率可高达95%，容易实现全功率、半功率及各个功率的输出控制。负载LED的电流采集采用MAX4080TASA，数字地和模拟地通过磁珠隔离，尽量减小地的干扰，能够实现较好地恒流控制。

图6-17　同步Buck负载驱动电路

3.系统软件设计

系统软件流程图如图6-18所示。

图6-18　系统软件流程图

STC12C5410AD单片机内部集成4路PWM发生器和8路10bit的A/D转换器，可直接实现PWM输出和A/D转换。系统实时采集太阳能电池板和蓄电池两端电压，当检测到太阳能电池板的电压大于6V（6V是设定的白天标志值）时，延时3min，在3min内实时监测电池板电压，若3min后电池板电压仍大于6V，则进入充电模式：

（1）关闭路灯，采集蓄电池电压，当蓄电池两端的电压小于14.7V时，使能前级Buck电路控制端，采集电压电流信号，控制单片机调制PWM输出，采用双向扰动法实现最大功率点充电。

（2）当采集的电流小于0.2A时，进入固定电压法充电模式，把太阳能电池板的电压输出稳在28～32V之间（选择端电压为40V的太阳能板）；

（3）当蓄电池电压上升到14.7V时，转为浮充充电模式，蓄电池浮充电压设为13.6～13.8V。当电池板的电压降到6V时，置零前级的Buck电路控制端延时3min，3min内实时监测电池板电压。如果3min后采集上来的电压值还是小于6V，则进入放电模式：使能后级Buck电路控制端，这时路灯点亮，全功率放电，延时5个小时后进入半功率放电模式，系统时刻监测天亮，天亮或延时5个小时结束，则路灯关闭。系统实时采集蓄电池电压，可以保证过充和过放保护，防止蓄电池损害，实现无人值守工作。

系统前级同步Buck电路双MOS管的驱动波形如图6-19所示。由图可以看出，采用IR2104做同步驱动的波形效果还是较好的，添加电阻限流和二极管加速MOS管结电容的放电，进一步降低了开关损耗，提高了效率。A为Q1管驱动波形图，B为Q2管驱动波形图，由于示波器的两个探头内部是相连的，所以图中A和B波形图都是相对于模拟地的。从图中可以看出，两种MOS管的驱动波形能得到很好的互补，能较好地控制同步Buck工作，实现最大功率点跟踪。

图6-19　前级两个MOS管的驱动波形

后级同步Buck电路中双MOS管Q3、Q4的驱动波形如图6-20所示。通过调节占空比可以调节LED的功率。为了合理利用蓄电池中的能量，LED驱动采用恒流驱动方式，全功率为控制PWM波实现2A恒流输出，半功率控制PWM波实现1A恒流LED驱动，通过软件调节各个时刻的输出功率。对基于IR2104的同步Buck电路LED驱动方案进行测试发现：当工作频率为20kHz、输出占空比为90%的PWM波时，蓄电池电压为11.94V，放电电流为1.777A，LED两端电压为10.199V，LED灯供电电流为1.977A，效率高达95.03%。因此可以看出，这是LED恒流驱动的一种可行性方案。

图6-20　后级两个MOS管的驱动波形