一種用于LED街道照明系統(tǒng)的太陽能供電電路設(shè)計

譚智力，朱冬姣，張　旭，蔡揚輝

(中國地質(zhì)大學自動化學院，湖北武漢430074)

一種用于LED街道照明系統(tǒng)的太陽能供電電路設(shè)計

譚智力，朱冬姣，張旭，蔡揚輝

(中國地質(zhì)大學自動化學院，湖北武漢430074)

針對典型的太陽能供電的LED街燈照明系統(tǒng)，在研究其基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其中最重要太陽能充電控制器和LED燈的驅(qū)動器作為研究對象，詳細分析了這兩部分的電路實現(xiàn)方法。設(shè)計了以太陽能充電控制器BQ24650為控制核心的充電控制器的電路，探討了相關(guān)元器件參數(shù)的計算方法，對其中的MPPT設(shè)置及電池缺失檢測流程進行了詳細分析；分析了LED照明驅(qū)動器的組成及其功能，設(shè)計了以XL6001為核心的LED驅(qū)動電路及以NE555為核心的PWM調(diào)光電路；完成了簡易太陽能供電LED街燈照明系統(tǒng)，并對其功能及工作性能參數(shù)進行了測試和分析。結(jié)果表明，該LED的供電方案滿足設(shè)計要求，表明該方案是有效的。

LED供電系統(tǒng)；充電控制器；驅(qū)動器；PWM調(diào)光

太陽能作為地球上真正取之不盡的清潔能源，是21世紀最理想的新能源，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能是其利用的有效途徑；LED是一種能將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導體器件，具有節(jié)能、使用壽命長、環(huán)保、安全的特點，這使得其在越來越多的照明場合得到了廣泛應(yīng)用，太陽能LED街道照明系統(tǒng)便是其中之一。它充分利用了太陽能和LED優(yōu)點，實現(xiàn)了對街道的高效、可持續(xù)的照明，是新一代能源和新一代光源的完美結(jié)合。這種系統(tǒng)的核心控制器件包括太陽能充電控制器和LED驅(qū)動控制器，其中，太陽能充電控制器是整個系統(tǒng)的心臟，對太陽電池的輸出功率、效率及蓄電池使用壽命有著重要作用；LED驅(qū)動控制器則是直接給LED燈提供驅(qū)動電流的設(shè)備，是影響LED等亮度、使用壽命的關(guān)鍵設(shè)備[1-3]。

本文以太陽能供電的LED街燈照明系統(tǒng)為研究對象，探討了其基本的構(gòu)成，設(shè)計了以BQ24650為核心的太陽能充電控制器以及以XL6003為核心的照明驅(qū)動系統(tǒng)的電路，對該電路的功能及性能參數(shù)進行了測試和分析，結(jié)果表明，該太陽能供電LED街燈照明系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

1　太陽能供電系統(tǒng)的組成

太陽能供電LED照明控制系統(tǒng)主要由太陽電池、蓄電池、充電控制器和LED驅(qū)動控制器、照明負載(LED)四部分組成，系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

圖1　太陽能供電LED街道照明系統(tǒng)原理圖

太陽能板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充電控制器對蓄電池充電，到了夜間，有蓄電池里的電能通過驅(qū)動電路點亮LED街道照明系統(tǒng)。太陽能板提供24 V的電壓，充電控制器輸出12 V的電壓存儲到電池中，LED驅(qū)動控制器輸出25 V、350 mA驅(qū)動LED燈。

2　充電控制器的設(shè)計

圖2是太陽能充電控制器的原理框圖。從圖中可以看出，太陽電池板輸出的直流電壓經(jīng)過輸入濾波后，通過降壓轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過電流檢測及輸出濾波后，得到滿足負載需求的直流輸出電壓，給蓄電池充電，完成能量的傳遞。輸入電壓范圍為12～28 V，輸出電壓為12 V。

圖2　充電控制器框圖

控制電路的核心器件是德州儀器公司的具有最大功率跟蹤控制功能的太陽能充電控制器BQ24650，充電控制器整體電路圖如圖3所示。太陽電池作為控制器的輸入，通過BQ24650對開關(guān)器件Q1和Q2進行控制，實現(xiàn)降壓變換，其輸出經(jīng)過濾波后，對蓄電池進行充電。圖中R5、C1和R6、C2構(gòu)成了輸入側(cè)的濾波電路，D2和C5構(gòu)成了Q1的自舉電路；開關(guān)器件Q1、Q2及L構(gòu)成了典型的降壓變換電路。下面介紹圖中關(guān)鍵電路及其元件參數(shù)的選取方法。

圖3　充電控制器電路圖

2.1最大功率跟蹤(MPPT)設(shè)置

圖3中，R3、R4構(gòu)成了BQ24650的輸入電壓反饋電路,這是針對太陽電池板輸出最大功率的。太陽電池面板在V-I或V-P曲線上有一個獨特的點，稱為最大功率點，在該點，整個光伏(PV)系統(tǒng)的工作效率最高并產(chǎn)生其最大輸出功率。恒電壓法是最簡單的最大功率點跟蹤(MPPT)方法，BQ24650即是采取該方法實現(xiàn)太陽電池板最大功率輸出。當BQ24650的MPPSET引腳檢測到輸入電壓下降時(即太陽電池板的輸出電壓下降時)，BQ24650自動降低充電電流，使太陽電池板輸出電壓上升，通過這種方法使太陽電池板輸出電壓維持在最大功率點處的電壓，以獲得最大功率。

但是如果MPPSET引腳電壓是被迫低于1.2 V時，BQ24650保持在輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的同時輸出電流為零。此時STAT1引腳為低電平 (LOW)并且STAT2引腳為高電平(HIGH)，即顯示充電進行時，但實際上充電電流為零，并無充電效果。此外，MPPSET引腳還具有充電使能功能，當其電壓低于75 mV時，充電將會終止，當其電壓恢復到175 mV以上時，充電才會恢復。

MPPSET引腳上的電壓被調(diào)節(jié)到1.2 V，通過式(1)設(shè)置調(diào)節(jié)電壓：

本系統(tǒng)R3為499 kΩ，R4為36 kΩ，將VMPPSET設(shè)置為17.8 V。

2.2充電電壓及充電電流檢測電路

圖3中的R1和R2、C10構(gòu)成的是輸出電壓反饋電路。BQ24650的VFB引腳連接到電池與地之間的電阻分壓器的中點，BQ24650內(nèi)部輸出電壓的參考值設(shè)定為2.1 V。當輸出電壓變化時，VFB引腳電壓發(fā)生變化，與設(shè)定值產(chǎn)生偏差，通過BQ24650內(nèi)部的電壓控制環(huán)路，改變BUCK電路的占空比從而實現(xiàn)輸出電壓的自動控制。可通過下面給出的公式計算輸出電壓：

本系統(tǒng)中R1為100 kΩ，R2為499 kΩ，則理論輸出電壓為12.6 V。

圖3中RSR為充電電流的檢測電阻。它將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，送入BQ24650的電流反饋控制引腳SRP和SRN之間。同時在SRN與SRP之間放置一個0.1 μF陶瓷電容來提供差模濾波，并在SRN到GND之間放置一個0.1 μF陶瓷電容提供共模濾波。SRP和SRN之間的滿量程差動電壓固定為40 mV。充電電流由式(3)確定：

本系統(tǒng)RSR取20 mΩ，理論最大充電電流2 A。

2.3電池缺失檢測

BQ24650具有電池缺失檢測功能，通過輸出電壓反饋電路，可以進行電池缺失檢測。即在充電開始前，先檢測有無電池，若有電池才能開始充電，否則系統(tǒng)將一直循環(huán)電池檢測周期。在電池檢測過程有兩個重要電壓閥值參數(shù)：VRECH和VLOWV，VRECH為2.05 V，VLOWV在1.54～1.56 V間，典型值為1.55 V。BQ24650的電池檢測過程如圖4所示。

圖4　電池缺失檢測流程

一旦系統(tǒng)通電，BQ24650通過VFB引腳檢測電壓，若在1 s內(nèi)檢測到的電壓仍低于VLOWV閾值時，說明沒有電池或者電池電壓過低，這時BQ24650會通過打開高側(cè)MOSFET開關(guān)進行短暫充電，這段充電時間為500 ms。若在這500 ms內(nèi)VFB引腳檢測到的電壓仍小于VRECH，則說明沒有電池或電池損壞。此時，BQ24650會循環(huán)檢測周期而不會進行正常的充電行為，兩個充電狀態(tài)引腳STAT1和STAT2會顯示充電故障。若在開始的1 s內(nèi)檢測到電壓大于VLOWV或在之后的開啟充電的500 ms內(nèi)檢測到電壓大于VRECH，則說明電池存在，就會進行正常的充電。

3　LED驅(qū)動控制器

LED驅(qū)動電路是太陽能供電LED街燈照明系統(tǒng)主要部分，其輸入為12 V，輸出25 V，驅(qū)動電路選用Boost型升壓拓撲結(jié)構(gòu)，除了需滿足基本電壓電流要求外還需兼顧低功耗和高效率的要求[4-6]。

本文的LED驅(qū)動電路選用芯龍半導體公司的XL6001芯片構(gòu)成。XL6001是專為LED升壓恒流驅(qū)動的開關(guān)控制器，它具有寬輸入電壓3.6～36 V，2 A輸出電流能力，內(nèi)置優(yōu)化的MOSFET，具有完備的保護功能，比如過熱保護、欠壓保護、過壓保護及過流保護，并內(nèi)置軟啟動功能，電路效率可達92%。

3.1LED控制電路

以XL6001為核心的LED驅(qū)動電路如圖5所示。圖中L1為升壓電感。整個驅(qū)動電路的輸入電壓是12 V，通過電感式升壓，使輸出25 V、電流恒流為350 mA。

圖5　LED驅(qū)動控制器電路

XL6001內(nèi)部設(shè)置了輸出電流對應(yīng)的參考電壓基準為0.23 V，可以利用這個條件來選擇電流檢測電阻的值，如式(4)所示：

式中：ID為LED的電流，比如ID=330 mA時，Res可選擇0.68 Ω的電阻。

升壓電感L1是電路中的重要器件，在計算電感的值時，必須使電感的飽和電流大于每個周期電感上的尖峰電流。選擇較低DCR的電感將會降低功耗，增加效率。電感的最小值可通過式(5)來選擇。

式中：Vin為輸入電源電壓；RDSON為開關(guān)管通態(tài)電阻；D為占空比。

3.2PWM調(diào)光電路

PWM調(diào)光基本方法是：將占空比可調(diào)的矩形波送至EN端，通過改變控制信號的占空比來控制XL6003的工作與待機時間的比例，達到調(diào)光的效果。

本文采用NE555為核心的振蕩電路來產(chǎn)生調(diào)光的PWM波，如圖5(b)所示。剛通電時，由于C1上的電壓不能突變，即2腳的電位為起始電平的低電位，使芯片置位，3腳為高電平。C1通過RA、D1對其充電，充電時間為：

電壓充到閥值電平2/3Vin,芯片復位，PWM輸出端為低電平，接著通過D2、RB和芯片內(nèi)部的放電管放電，使VC1下降。當VC1下降到1/3Vin時，芯片置位，PWM輸出端為高電平，放電時間為：

振蕩周期T=t充+t放。如此周而復始，改變電阻觸點的位置，則輸出寬度變化的PWM波。

設(shè)PWM波的占空比為D，則即調(diào)節(jié)電位器可得PWM波占空比最大值和最小值為：

PWM波的頻率可由式(10)得到：

根據(jù)式(10)可計算C1的值。

4　實驗結(jié)果

為了驗證所設(shè)計電路的正確性，按上述原理設(shè)計電路圖，完成電路的調(diào)試和實驗。圖5(a)是充電控制器的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，充電控制器的輸入在12～24 V變化時,其輸出電壓在12.8～13 V變化,紋波在1.2%～1.8%范圍變化，到達了充電控制器的設(shè)計目標。圖6為充電控制器電壓參數(shù)測試結(jié)果。

圖7和圖8是驗證電池缺失檢測功能的波形圖。圖7是未接電池時的輸出波形，圖8是接電池時輸出電壓波形。圖中vi為輸入電壓，vo是充電控制器的輸出電壓。由圖7可見，輸出端電壓vo呈現(xiàn)4.8 V的周期性壓降，周期約為550 ms。這與設(shè)計手冊里給出的結(jié)論是一致的。

表1是蓄電池從10.8～14.8 V變化時，LED驅(qū)動控制器的輸入電流、輸出電壓、輸出電流的測試數(shù)據(jù)，圖9是驅(qū)動控制器的效率曲線。

從表1和圖9可以看出，LED驅(qū)動控制器的輸出電壓和電流基本到達了設(shè)計要求，效率較高，表明本文設(shè)計電路是有效的。圖10是實際的照明系統(tǒng)圖。

圖6　充電控制器電壓參數(shù)測試結(jié)果

圖7　未接電池時輸出電壓波形

圖8　接電池時輸出電壓波形

表1　LED驅(qū)動控制器輸入、輸出電壓電流值

圖9　輸入電壓-效率曲線圖

圖10　實際的照明系統(tǒng)圖

5　總結(jié)

本文設(shè)計了一種太陽能供電LED街燈照明系統(tǒng)的電路，包括以BQ24650為核心的充電控制器電路和以XL6001為核心的LED驅(qū)動電路，同時還設(shè)計了以NE555為核心的PWM調(diào)光電路，對電路進行了詳細的分析，介紹了關(guān)鍵器件的參數(shù)計算方法，完成了實驗電路，并對相關(guān)參數(shù)進行了測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對LED燈的供電控制，達到了設(shè)計要求，表明本文設(shè)計的電路是有效的。

[1]張華龍.LED光伏照明系統(tǒng)的研究[D].天津：天津大學，2008.

[2]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005.

[3]江磊,蔣曉波,陳郁陽,等.一種用于LED路燈的高效率電源驅(qū)動器設(shè)計[J].照明工程學報,2009(4)：54-58.

[4]劉勝利.高亮度LED照明與開關(guān)電源供電[M].北京：中國電力出版社，2009.

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[6]周志敏，紀愛華.白光LED驅(qū)動電路設(shè)計與應(yīng)用實例[M].北京：人民郵電出版社，2009.

Design of power supply circuit for solar powered LED street lamp

TAN Zhi-li,ZHU Dong-jiao,ZHANG Xu,CAI Yang-hui
(School of Automation,China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China)

The LED street lamp lighting system powered by the solar energy was focused.On the basis of introducing its structure,the two important parts,namely the solar charge controller and the LED driver were proposed,as well as the realization method of the electric circuits of the two parts.The solar charge controller with its circuit was designed,implemented by the controller chip BQ24650 as the control core of the circuit.The calculation method of related components parameters was discussed.The related components of MPPT setting and lack of battery testing process were analyzed in detail.The composition and function of LED lighting drive system was analyzed,LED drive circuit used the chip XL6001,and the PWM wave dimmer circuit using NE555 was discussed.The simple hardware circuit,solar powered street LED lighting system and its features and performance parameters were tested and analyzed.The results show that the LED lighting system meets the design requirements,and the system runs well.

LED supplying system；charge controller；drive controller；PWM dimming circuit

TM 914

A

1002-087 X(2016)10-1976-03

2016-03-27

譚智力(1973—)，男，湖北省人，副教授，主要研究方向為電力電子與電力傳動。

朱冬姣(1972—)，女，湖北省人，講師，主要研究方向為電力電子與電力傳動。Email：zhudongjiao@sina.com.cn