基于新型基板封装技术的风光互补LED照明控制器设计

祝亚峰 刘 飞 付念先

(国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉 430074)

1 引言

目前，风光互补路灯系统发展较快，风光互补控制器种类较多，但真正能很好的达到经济性、可靠性和安全性的系统还不多，其主要的原因之一是没有一个良好的控制系统。风光互补照明控制器工作在户外环境中，是风光互补路灯系统的核心，对控制器的技术要求较高，在满足使用功能的前提下还要做到控制智能化、可靠化、寿命长、稳定性好。

常规的光伏控制器在蓄电池充满以后，会启动开路保护模式，断开太阳能电池板与蓄电池的充电回路，达到保护蓄电池的作用。但是对风光互补照明系统而言，在蓄电池过充时风机是不能直接进行开路保护，一般都是采用卸荷器对风机进行刹车［1］～［7］。

本文通过深入研究风光互补照明系统工程应用存在的问题，结合多年的实践经验，提出了一种基于新型基板封装的风光互补LED照明控制器设计方法，其采用新颖的电路和特殊的电路封装方式，很好的解决目前现有风光互补照明系统出现的刹车故障问题，提高了风光互补照明系统的可靠性。

2 系统构成［8］～［10］

如图1所示，风光互补照明系统由风力发电机、太阳能电池板、蓄电池、控制器和卸荷器等五大部分组成。

图1 风光互补照明系统图Fig.1 Wind and solar lighting system

整个系统中，控制器的功能主要包括蓄电池的充放电管理、LED灯的通断及全功率/半功率控制、风机的充电及卸荷控制、系统软硬件方面的保护等。

3 系统设计

3.1 控制器原理

风光互补控制器按功能模块分为控制电路与功率电路，如图2所示。

图2 控制器硬件原理图Fig.2 The controller hardware schematics

控制电路包括单片机、AD转换电路、显示按键电路、IO驱动电路、硬件保护电路和接口电路;功率电路板采集到的蓄电池、太阳能电池板、LED灯的电压和电流信号通过接口电路送入AD转换电路，AD转换电路将信号转换为单片机能够识别的信号，送入单片机，由单片机对转换后的结果进行处理，然后给出控制指令，发送给显示按键电路和IO驱动电路;

功率电路包括蓄电池电路、太阳能电池板电路、LED灯电路、风力发电机电路、卸荷比较电路、风机卸荷电路和接口电路，外部设备蓄电池、太阳能电池板、LED灯分别连接到蓄电池电路、太阳能电池板电路和LED灯电路，经风力发电机电路输出的电压信号送入卸荷比较电路，由卸荷比较电路比较，并发出控制指令至风机卸荷电路。

3.2 常规卸荷控制方法

在风光互补照明系统中，当蓄电池过充或风速过高时需要对风机进行刹车，常用的保护控制方法是经过控制器AD转换电路采集风机整理输出电压，通过单限比较电路来判断风机卸荷与否。

如图3所示，Vcc_Wind、GND_Wind分别为风机整流后的输出端，LM393D为比较芯片，2脚为比较器输入参考电压端。3脚通过分压电阻R23、R24将风机输入电压输入到3脚。TVS为稳压、防冲击二极管，C10为滤波电容。通过比较风机整流后的电压来产生门控型号Gate Shunt输出高，低电平来控制是否卸荷。

图3 单限比较Fig.3 Single limit comparator

如图3所示，单限比较器很灵敏，理想情况下比较器的输入电压达到参考电压时，比较器切换输出状态，但是实际情况下风能随机性较大，产生的电压断断续续，比较器的开关特性为非线性，于是会造成比较器平繁的切换状态，抗干扰能力比较差。这时控制风机卸荷的MOS开关管处于导通与半导通状态，MOS容易烧毁，造成控制器的损坏。

3.3 新的卸荷控制方法

如图4所示，根据图3中单限比较器抗干扰能力差，我们引入滞回比较电路。通过输出引脚1反馈到引脚3，电路的输出特性在两个阈值区间，在这个区间两个阈值点间进行卸荷功能切换。不会频繁切换工作状态，提高了比较器的稳定性，因而也就具有一定的抗干扰能力。其中12V为比较器的供电电压，RM1为输出端上拉电阻，R23、R25为分压电阻，引脚2为参考电压。

通过长期试验与工程应用，采用滞回比较电路的卸荷预判系统能够完善的保护控制器内部开关元器件，挺高卸荷性能的稳定性，达到实际工程应用的要求。

图4 滞回比较器Fig.4 Hysteresis comparator

4 基板封装技术

在风光互补照明系统中，通过太阳能电池板、风力发电机对蓄电池充电过程中会产生大量的能量转换，其中一部分能量通过热能消耗掉，这对系统电路的稳定性带来很大风险，特别是在炎热的夏天，户外温度达到40多少度，当控制器进行电能转换或风机卸荷时会产生大量的热量，如果不能及时的进行散热，控制器内部电子元件会随温度的上升而改变特性，导致控制器烧毁。

通过控制器电路设计规格，自主创新设计成铝基板封装电路板。其独特的金属铝板，具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能。快速散发风速很大时控制器功率过大损耗的热量，可承受大电流和高温度循环等冲击，使风光互补控制器具有高可靠性、低成本、低功耗等特点。

如图5所示，控制器外部主要由外壳1、铝基板2和散热器3组成，铝基板2位于外壳1底部，散热器3与铝基板2紧密贴合在一起。铝基板2与散热器3相接触面涂有导热硅脂，可承受大电流和高温冲击，控制器功率电路直接焊接在铝基板上，铝基板与散热器相连，利于散热。

通过长期试验与工程应用，采用铝基板封装的风光互补控制器在散热性能上是一般控制器的10倍，能够快速散发热量，保护控制器。

图5 控制器结构图Fig.5 Controller structure

5 结论

新型基板封装的风光互补LED照明控制器通过新型基板封装技术以及智能卸荷模块的接入功能，解决了风力发电机过速造成的损害。这种方案一方面解决了风力发电机过速制动刹车、快速散热，另一方面也提高风能，太阳能供电可靠性和电能质量。同时，该控制系统能够实现潮流的控制，从而达到一定程度的削峰填谷的作用，既缓解了用电矛盾，也改善了电网电源结构。

［1］彭路明.新型太阳能路灯控制器设计与实现 ［D］.新疆:新疆大学.

［2］冯丽平.风光互补发电系统设计与实现 ［D］.上海:上海大学.2007.

［3］王涛.小型风光互补发电系统控制器的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2009.

［4］谢自美.电子线路设计·实验·测试［M］.武汉:华中科技大学出版社，2000.

［5］吴建平，殷战国，等.红外反射式传感器再自主式寻迹小车导航中的应用［J］.中国测试技术，2004，30(6):21～23.

［6］徐友春，王荣本.一种机器视觉导航的智能车辆转向控制模型设计 ［J］.中国公路学报，2001，14(3):96～100.

［7］National Semiconductor.LM1881 Video Sync Separator General Description.April 2001.

［8］Freescale Semiconductor， Inc.MC9S12DG128 Device User Guide.

［9］Motorola公司.MC9S12DT128DGV2/D Datasheet V2.15.2005.

［10］Todd D.Morton，严隽永 译.嵌入式微控制器 ［M］.北京:机械工业出版社，2005.