用于LED照明的太阳能供电系统设计

徐敏锐,卢树峰,黄奇峰,王忠东,杨世海

(江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211100)

引 言

太阳能作为地球上取之不尽的清洁能源将是21世纪最理想的新能源，将太阳能转化为电能是其利用的有效途径。LED是一种能将电能转化为光能的半导体器件，已应用于照明领域中。作为集成了太阳能光伏发电和LED照明优点的太阳能LED 照明系统，是新能源和新光源的完美结合[1-3]。

本文以太阳能供电的LED照明系统为研究对象，探讨了其基本的构成，重点介绍了太阳能充电控制器以及LED照明驱动系统的设计及其电路实现，通过对其功能及工作性能参数进行了测试和分析，结果表明该LED照明系统满足设计要求。

1 太阳能供电系统的组成

太阳能供电LED照明系统主要由太阳能电池、蓄电池、充电控制器和LED驱动控制器、照明负载即LED四部分组成，系统组成原理图如图1所示。

图1 太阳能供电LED蓄电池照明系统模块图Fig.1 LED lighting system supplied by solar

太阳能电池板将太阳能转化为电能，通过充电控制器对蓄电池充电，到了夜间，由蓄电池里的电能通过驱动电路点亮LED照明系统。太阳能电池板提供24V的电压，充电控制器输出12V的电压存储到电池中，LED驱动控制器输出25V的电压、350mA的电流驱动LED灯。

2 充电控制器的设计

图2是太阳能充电控制器的系统框图。从图中可以看出，太阳能电池板输出的直流电压经过输入滤波后，通过DC-DC变换，在经过输出滤波后，得到满足负载需求的直流输出电压，并完成能量的传递。输入电压范围为12～24V，输出电压为12V，给蓄电池充电[3]。

图2 充电控制器框图Fig.2 Block diagram of charging controller

控制电路的核心器件是安森美半导体公司的增强型PWM控制芯片CS51221，通过其对开关器件的控制，从而将直流电转换为方波，再通过变压器进行能量转化，最终变为所需要的直流输出。充电控制器整体电路图如图3所示。这是较为典型的单端正激变换电路。下面介绍图中关键元件参数的选取。

2.1 开关频率和最大占空比计算

开关频率由定时元件RT和CT选择值决定。电容CT由3.3V的参考电压通过电阻RT充电。在CT放电期间，内部时钟信号设定GATE输出低电平，因此设定了最大占空比钳制，充放电时间和放电时间为式(1)和式(2)所示

(1)

(2)

采用VREF=3.3V,VVALLEY=1VVPEAK=2V，Id=1mA进行计算。最大占空比可由式(3)得到

(3)

2.2 过电压和欠电压保护

过电压和欠电压保护电路采用电阻分压的方式。设定芯片的过电压和欠电压保护的阀值。电阻值的确定可以由式(4)、式(5)确定。

(4)

(5)

根据芯片资料，当UV<1V，OV>2V，故障状态被启动。在输入12V～24V输入范围内，芯片处于正常工作状态。当输入电压小于12V或者大于26.8V时，故障状态被启动。

2.3 启动和供电电路

开关电源刚通电时需要外部给CS51221提供稳定的直流工作电压，才能正常启动。刚启动时，CS51221所需的电压是通过直流输入经过三极管、电阻、稳压管组成的直流稳压源供给，如图3所示。当开关电源转入正常工作后，常用变压器的辅助绕组输出电压，经过二极管和电容的整流滤波，来给芯片供电。

软启动技术通过逐步释放对占空比的钳制，来消除浪涌电流的问题[10]。软启动的持续时间可通过连接到SS管脚的电容来控制。电容的选取需通过反复试验决定。

图3 充电控制器电路图Fig.3 Circuit diagram of charge controller

2.4 电流检测电路

电流检测电路正常运行时，检测电阻R32的峰值电压由内部误差放大器控制，CS51221的内部电流测定比较器反相输入端箝位电压由ISET管脚的电压决定，实际检测电压为1.1735V，最大限制电流1.1735V/R32。在R32和ISENSE脚之间，用R、C组成的滤波器，用于抑制功率管开通时产生的电流尖峰，其时间常数近似等于电流尖峰持续时间(通常为几百纳秒)。

3 LED驱动控制器

LED驱动电路是太阳能供电LED照明系统主要部分，其输入为12V，输出25V，驱动电路选用Boost型升压拓扑结构，除了需满足基本电压电流要求外还需兼顾低功耗和高效率的要求[4,5]。

本文选用安森美半导体公司的NCP3066芯片为核心构成LED驱动电路。由IC控制电路、升压变换电路(NCP3066)和恒流电路组成。由它完成PWM调制电感式的升压。图中L1为升压电感；VD1为续流二极管；C4～C6、C10为输出电容，起到滤波的效果；DZ1、DZ4为稳压二极管，对输出电压的稳压效果，降低纹波电压；R1～R6为输入电流检测电阻，R10～R11为输出电流检测电阻，两检测电阻直接关系到输出电流的大小和纹波大小。整个驱动电路的输入电压是12V，通过电感式升压，使输出25V、电流恒流为350mA。

3.1 PWM调光电路

PWM调光基本方法是：将一个信号300Hz的脉冲宽度可调的矩形波送ON/OFF端，通过改变控制信号的占空比来控制NCP3066的工作与待机时间的比例，相对改变送到HB LED的平均功率。ON/OFF端施加300Hz的PWM波， PWM波产生电路如图4(b)所示。

(6)

由于运放采用的是单电源供电，单电源供电时频率是双电源供电的2倍，因此要得到300Hz的方波频率，就有2fO=300Hz，由此计算得出R19为10kΩ，R20为1 kΩ，R16、R17为620 kΩ。

3.2 光敏二极管开关电路

太阳能供电LED照明系统需要实现智能控制，即天黑时LED灯自动开灯，天亮时自动熄灭，无需人工操作。图4(c)是实现这一功能的电路图。图中K1为继电器，当4、5端电压达到9V时，1、3脚导通，继电器开关闭合；当电压小于1.2V时1、3脚释放，继电器开关关断。VD3是普通光敏二极管，光敏二极管反向连接，在有光照时，反向电阻很小，三极管Q1的基极相当于连接到地，三极管截止，这时，5脚端相当于悬空，因此，4、5脚端电压接近与零，1、3脚关断；当到晚上时，反向电阻很大，三极管的基极、发射极有电压降，因此三极管导通，这时，4、5脚有电压降，当光线继续变暗时，光敏二极管的反向电流增大，三极管的集电极电压降低，当4、5脚的电压降达到9V时，继电器工作，1、3脚合上导通。

图4 LED驱动控制器电路Fig.4 Circuit of LED drive controlle

4 实验结果

为了验证所设计电路的正确性，按上述原理设计电路图，完成电路的调试和实验。图5(a)是充电控制器的实验结果。从图中可以看出，充电控制器的输入在12～24V变化时,其输出电压在12.02V～12.09V变化,纹波在1.4%～3.8%范围变化，到达了充电控制器的设计目标。

图5 充电控制器电压参数测试结果Fig.5 Test results of voltage parameter of the charging controller

对LED驱动控制器，由于铅酸蓄电池实际工作的充放电范围为10.8V～14.8V，取0.5V间隔，不同输入电压条件下测试结果如表1所示。图6是驱动控制器的效率曲线。

表1 LED驱动控制器输入、输出电压电流值Table 1 Input, output voltage and current of the LED drive controller

图6 输入电压-效率曲线图Fig.6 Input voltage-efficiency curve

从表1和图6可以看出，LED驱动控制器的输出电压和电流基本到达了设计要求，效率较高，表明本文设计电路是有效的。图7是实际的照明系统图。

图7 实际的照明系统图Fig.7 Actual LED lighting system diagram

5 总结

本文设计了一种太阳能LED照明系统的电路，包括以为核心的充电控制器电路和LED驱动电路，对其电路进行了详细的分析和设计，通过完成的实验电路，对相关参数进行了测试，实验结果表明，该系统实现了对LED灯的调光和开关控制，说明本文设计的电路是有效的。

[1] 高云.太阳能充电控制器的研究[D].北京:北京交通大学，2009.

[2] 白林.太阳能LED路灯智能控制系统技术研究[D]. 黑龙江：大庆石油学院硕士学位论文，2009.

[3] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4] 周志敏，纪爱华.白光LED驱动电路设计与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[5] 江磊,蒋晓波,陈郁阳,等. 一种用于LED路灯的高效率电源驱动器设计[J]. 照明工程学报,2009,20(4):54-58.