太陽能高亮度LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著高亮度（HB）LED的出現(xiàn)，專為最大化太陽能電池陣列輸出而設(shè)計(jì)的IC的可用性已經(jīng)引起了對(duì)太陽能路燈的日益重視。事實(shí)上，太陽能照明一度主要限于偏遠(yuǎn)地區(qū)，現(xiàn)在已成為市政街道照明的主流（它們?cè)诎滋鞆奶柟夂鸵雇淼慕值勒樟粒?。?duì)于工程師來說，由于Allegro Microsystems，Cree，賽普拉斯半導(dǎo)體，凌力爾特，恩智浦半導(dǎo)體，安森美半導(dǎo)體，意法半導(dǎo)體和德州儀器等制造商提供的太陽能管理和LED驅(qū)動(dòng)IC，高效太陽能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加簡單。

太陽能照明系統(tǒng)包括太陽能電池板，控制器和光源。 HB LED具有非常適合太陽能應(yīng)用的性能特性。與傳統(tǒng)光源相比，這些器件需要更低的電壓，提供更長的壽命，并在照明配置中提供更大的靈活性。

HB LED現(xiàn)在使用更少的能量來生產(chǎn)相同數(shù)量的光，制造商正在不斷提高其功效。隨時(shí)可用的設(shè)備，如Cree XLamp XM-L LED，能夠達(dá)到1，000流明，100流明/W的功效。全行業(yè)的HB LED正在推動(dòng)效率超過100流明/瓦，美國能源部的調(diào)查顯示產(chǎn)量持續(xù)快速增長（圖1）。

圖1：根據(jù)美國能源部的預(yù)測，預(yù)計(jì)HB LED效率將迅速增長。

HB-LED驅(qū)動(dòng)器

HB LED在光源中是獨(dú)一無二的，需要恒定的直流電流而不是恒定的電壓。與所有這些設(shè)備一樣，Cree的HB LED需要恒定電流源，可以明顯改變亮度（圖2a），甚至顏色（圖2b）也可以改變正向電流。

（a）

（b）

圖2：在典型的HB LED中，正向電流的相對(duì)較小的變化導(dǎo)致亮度（a）和顏色（b）的可察覺的變化。

通常，開關(guān)穩(wěn)壓器用于有效調(diào)節(jié)HB-LED負(fù)載的電流。 Allegro Microsystems A6210，安森美半導(dǎo)體NCP3066和TI LM3464/LM3464A等LED驅(qū)動(dòng)開關(guān)穩(wěn)壓器專門設(shè)計(jì)用于為單個(gè)LED或多個(gè)LED串提供恒定電流輸出。

雖然此類器件通常包含片上LED驅(qū)動(dòng)器，但TI LM3464/64A的設(shè)計(jì)允許工程師使用外部MOSFET和檢測電阻來實(shí)現(xiàn)更高，更精確的LED電流。對(duì)于其四個(gè)通道中的每一個(gè)，LM3464/64A驅(qū)動(dòng)器級(jí)（圖3）包括單獨(dú)的LED電流調(diào)節(jié)器，包括外部MOSFET，電流檢測電阻和片上放大器，用于監(jiān)視電流檢測電阻兩端的電壓。片上放大器將此電壓與200 mV參考電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)需要修改MOSFET的柵極電壓，以維持電流調(diào)節(jié)。

圖3：TI LM3464/64A結(jié)合使用內(nèi)部和外部電路來調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電流 - 監(jiān)控檢測電阻兩端的電壓，根據(jù)需要調(diào)整外部驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極電壓（德州儀器提供）。

賽普拉斯CY8CLED04G01 PowerPSoC將賽普拉斯可編程SoC（PSoC）與片上功率電子器件相結(jié)合，為7至32 V范圍內(nèi)的太陽能照明提供單封裝解決方案。對(duì)于LED驅(qū)動(dòng)，CY8CLED04系列包括多達(dá)四個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器通道，每個(gè)通道可使用內(nèi)部MOSFET驅(qū)動(dòng)高達(dá)1 A的電流。 CY8CLED04G01等獨(dú)立系列產(chǎn)品支持使用外部MOSFET來支持每通道1 A以上的驅(qū)動(dòng)電流。

太陽能管理

在太陽能照明系統(tǒng)中，電源和充電管理功能對(duì)于維持太陽能電池陣列的最佳輸出效率和維持電池陣列的正常充電狀態(tài)至關(guān)重要。太陽能輸出效率取決于將太陽能電池板維持在其最大功率點(diǎn)的能力。隨著負(fù)載，照明甚至太陽能電池特性的變化發(fā)生，系統(tǒng)必須能夠通過最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）將太陽能電池陣列恢復(fù)到最大輸出。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱TechZone文章“設(shè)計(jì)高效太陽能電池充電器”。除了具有片上LED驅(qū)動(dòng)器功能外，賽普拉斯CY8CLED04G01 PowerPSoC還通過基于軟件的PSoC內(nèi)核方法支持MPPT。該設(shè)備的內(nèi)部控制器運(yùn)行MPPT，負(fù)載和充電控制以及系統(tǒng)保護(hù)的算法。當(dāng)太陽能電池板電壓降至預(yù)設(shè)電壓以下時(shí)，其自動(dòng)黃昏至黎明選項(xiàng)將關(guān)閉負(fù)載，因此HB LED從電池獲取電力以照亮。當(dāng)面板電壓達(dá)到閾值電壓（指示晴天條件）時(shí)，設(shè)備將關(guān)閉負(fù)載并開始為電池充電。對(duì)于電池充電，PowerPSoC算法支持四種鉛酸電池充電模式：完全充電，恒壓充電，涓流充電和過壓充電，以均衡充電電池。

同樣，恩智浦MPT612采用基于ARM7TDMI-S RISC處理器的基于軟件的方法。工程師可以通過包含可選軟件模塊來創(chuàng)建自定義解決方案，以實(shí)現(xiàn)電池管理，負(fù)載管理等功能。 MPT612提供專用硬件功能，包括使用適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器進(jìn)行電壓和電流測量。對(duì)于MPPT和其他管理操作，器件使用這些片上測量功能自動(dòng)計(jì)算所需參數(shù)。

雖然賽普拉斯PowerPSoC和NXP MPT612等設(shè)備允許軟件調(diào)整和優(yōu)化更復(fù)雜的MPPT算法（如果需要），但其他設(shè)備使用內(nèi)置反饋環(huán)路來實(shí)現(xiàn)簡單的MPPT方法。例如，STMicroelectronics SPV1040是一款單片太陽能電池充電器，具有基于輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的嵌入式MPPT算法，可通過電阻分壓器固定充電電池電壓。在操作中，該調(diào)節(jié)環(huán)路根據(jù)需要改變PWM占空比，以保持最佳的面板輸出。通過SPV1040，工程師可根據(jù)需要使用電流檢測電阻將最大輸出電流設(shè)置為1.8 A，以滿足特定的充電要求。如果系統(tǒng)達(dá)到此最大電流水平或超過155°C的最高溫度限制，SPV1040將禁用PWM切換。 SPV1040還提供輸入源反極性保護(hù)，以防止在太陽能電池板輸入意外反轉(zhuǎn)時(shí)造成損壞。

凌力爾特公司提供一對(duì)LT3652 IC和LTM8062AμModule解決方案，如果輸入電壓低于用電阻分壓器設(shè)定的編程電平，則使用輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路來降低充電電流。對(duì)于太陽能電池板操作，此輸入調(diào)節(jié)回路使面板保持在峰值輸出功率或接近峰值輸出功率（圖4）。

（a）

（b）

圖4：使用MPPT的輸入電壓調(diào)節(jié)回路為最大化太陽能電池陣列輸出提供了相對(duì)簡單的解決方案。在這里，Linear LT3652使用調(diào)節(jié)回路（a）將最大功率點(diǎn)保持在98％附近（b）（由Linear Technology提供）。

LT3652 IC作為完整的降壓電池充電器，提供恒定電流/恒定電壓充電管理，可編程最大充電電流高達(dá)2 A.使用3.3 V浮動(dòng)電壓反饋參考，LT3652可編程以提供高達(dá)14.4 V的任何所需電池浮動(dòng)電壓.LTM8062和LTM8062AμModules是完整的電池充電模塊，能夠提供高達(dá)2 A的充電電流。與LT3652一樣，這些充電器使用3.3V浮動(dòng)電壓反饋基準(zhǔn)電壓來提供14.4 V（LTM8062）或18.8 V（LTM8062A）的電池浮動(dòng)電壓，并使用外部電阻分壓器進(jìn)行編程。

TI BQ24650開關(guān)模式電池充電控制器IC還使用輸入調(diào)節(jié)環(huán)路來設(shè)置太陽能電池陣列的工作點(diǎn)。使用此調(diào)節(jié)環(huán)路時(shí)，BQ24650可在輸入電壓低于預(yù)設(shè)值時(shí)降低充電電流。對(duì)于太陽能電池板，充電電流的這種變化轉(zhuǎn)化為太陽能電池板恢復(fù)到其最大功率點(diǎn)。作為BQ24650的核心，恒定頻率同步PWM控制器有助于確保恒定電流/恒定電壓充電的精確電流和電壓調(diào)節(jié)，以及電池管理功能，包括充電預(yù)處理，充電終止和充電狀態(tài)監(jiān)控。

結(jié)論

由于HB LED效率的不斷提高，太陽能照明已經(jīng)進(jìn)入主流。對(duì)于工程師來說，設(shè)計(jì)高效的太陽能HB-LED照明解決方案需要特別注意LED驅(qū)動(dòng)器的恒定電流調(diào)節(jié)，同時(shí)將太陽能電池陣列輸出保持在最大功率點(diǎn)。使用針對(duì)太陽能管理和LED驅(qū)動(dòng)而優(yōu)化的可用設(shè)備，工程師可以更輕松地構(gòu)建太陽能照明解決方案，這些解決方案能夠在太陽能供電能力范圍內(nèi)提供高功率水平的高照度。