基于超级电容储能的太阳能LED花园灯电路设计

谢应然，杨元凯

(佛山职业技术学院，广东佛山 528137)

目前市场上的太阳能花园灯普遍是采用蓄电池蓄电,而蓄电池的使用寿命一般为2～3年(可充放电不到1000次)，且需要经常维护，耗时，费力，造成不便的同时也不环保；传统花园灯利用蓄电池充放电，而废旧铅蓄电池有组织回收率不足30%，会对环境造成很大的污染[1]。超级电容具有诸多特点：寿命超长可千万次反复地充、放电；安全可靠，储能巨大，充放电效率高(98%)[2]；超级电容器是绿色能源(活性炭)，不污染环境；相对成本低，超级电容器的寿命比铅酸电池高20～200倍[3-4]。在此背景下，本文设计一种用超级电容替代传统的蓄电池，采用电源芯片TPS61200进行电压转换，提供LED恒流驱动电流，实现花园灯自动亮灯。

1 电源芯片TPS61200简介

1.1 TPS61200功能与参数

TPS61200引脚排列[5-6]如图1所示，TPS61200系列引脚功能如表1所示。

图1 TPS61200的引脚排列Fig.1 TPS61200 pins are arranged

TPS61200系列主要电特性参数：可调输出电压为1.8～5.5V；固定3.3V输出电压允差±0.03V；固定5.0V输出电压允差±0.05V；内部平均开关电流限制为1350mA；静态电流典型值50μA；关闭状态时耗电小于2μA；EN端低电平：VIN<0.8V它小于<0.1VIN、VIN>1.5V时它小于0.4V、0.8V≤VIN≤1.5V时它小于0.2VIN；EN高电平：VIN<0.8V时它大于0.9VIN、 VIN>1.5V时它大于1.2V、0.8≤VIN≤1.5V时它大于0.8VIN；PS输入低电平<0.4V、PS输入高电平>1.2V；开关管开关频率1250～1650kHz。

TPS61200系列主要极限参数：输入电压为0.3～7V(包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO端)。建议工作条件：VIN=0.3～5V。

表1 TPS61200引脚功能

1.2 典型应用电路

图2是一种输出电压可设定的电路。输出电压VOUT与外接电阻分压器R1、R2有关[6]，如式(1)所示：

VOUT=VFB(R1/R2+1)

(1)

式(1)中，VFB=500 mV，R1可设为1MΩ，则可求出R2值。例如，要求VOUT=3.3 V，代入式(1)可求出R2=178.57 kΩ，可取标准电阻值180 kΩ。

图2 TPS61200典型应用电路Fig.2 TPS61200 typical application circuit

在图2中，EN端、PS端、UVLO端接VIN，这表示电源不采用EN端加低电平来关闭电源；PS端高电平表示在重负载条件下工作(此时振荡器按固定频率工作)；UVLO接VIN，表示在VIN<250 mV时，使电源关闭，VOUT=0 V，并锁存；只有当VIN>350 mV时电源才恢复工作。

在图2中，VAUX接0.1μF接地，是为了稳定地工作。此电容器在启动时向C3充电到一定值后，开关管才导通，它对开关管起缓冲作用。若输出电压VOUT<2.5 V时。C3值可采用1μF。C1是输入电容，其值最小是4.7 μF，C2是输出电容，采用式(2)选择C2值：

C2=5L(μF/μH)

(2)

式(2)中，若L=2.2μH，则C2可取10 μF。C2也采用多层陶瓷电容。采用更大容量的C2可减小输出纹波电压、减小瞬态负载变化引起的输出电压跌落。图2中电感器L1值可用以式(3)来估算：

Lmin=VIN×0.5 μS/A

(3)

由式(3)知，一般L1在1.5～4.7 μH之间取值，在整个输入电压与输出电压范围内有较好的性能。

2 电路工作原理

2.1 产品设计思路

采用超级电容代替蓄电池储能，其放电次数可达50万次以上，同时使用温度范围广(-40℃～70℃)，性能稳定，结构简单免维护，其使用寿命可达10年以上[7]；采用TPS61200电源芯片进行电压转换，它能根据输入电压的大小自动切换升/降压模式，而在输出功率较低时有节能模式，提高效率，还有输出电路保护及过热保护；能采用EN端加低电平来关闭电源从而控制白天与夜晚花园灯工作切换，用太阳能充电及开/关过程采用自动控制，无需人工操作，省时省力又放心,使该产品融于了绿色理念。

2.2 电路工作原理

控制电路如图3所示：太阳能花园灯的太阳能电池板TYN(6V 80mA)利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能[8]输出，通过R1，R2的分压，Q1的基极处于高电平，而集电极处于低电平(开关已闭合)，而电源芯片TPS61200的6脚使能端EN是高电平有效，因此TPS61200处于休眠态，静态电流很微弱(2μA)，几乎不耗电，所以，白天灯不亮，电能储存在超级电容中；当夜晚光照度逐渐降低时，太阳能电池板板停止工作，通过R1，R2的分压，Q1的基极处于低电平，此时Q1的集电极处于高电平，使能端EN激活电源芯片TPS61200工作，VOUT(②脚)输出电压，通过电阻R6电流取样，R4与R5、R6串联分压，将电源芯片TPS61200巧妙的设计成LED恒流驱动电源，推动LED发光。由R4、R5、R6电阻值可估算恒流电流值大小，设定LED电流值I为60 mA,R6选用2 Ω，R4选用82 kΩ，设定LED工作电压为3.1V，则可计算近似得到R5大小：

R6压降：UR6=I×R6=60 mA×2Ω=0.12 V；

R5压降：UR5=0.5 V-0.12 V=0.38 V；

R4压降：UR4=3.1 V-0.38 V=2.72 V；

所以，R5大小：R5=UR5/(UR4/R4)≈10.5 kΩ。

从而可选取R5近似为10.5 kΩ 。由此设计电路可供给LED电流值近似为60 mA。超级电容通过电源芯片TPS61200转换电路为花园灯LED发光供电。

图3 花园灯电路原理图Fig.3 Garden lamp circuit principle diagram

2.3 重要参数指标分析

超级电容存贮电量：两电容串接，每个电容容量2300F,则电容总容量为1150F。设计满电压5.0V， 1150F电容的电量为6750C，电压下限是0.3 V，电容放电的有效电压差为4.7 V，所以有效电量为5405C。

维持供电时间计算：若电流消耗以60mA给LED驱动，则供电时间为25.0小时。对于阴雨天气，在不计白天太阳能电池有转换电能情况下，仍可保证正常维持3个夜晚照明。

2.4 主要器件选用

1)太阳能板：功率4W ，工作电压6V ，工作电流 0.66A，正常工作10～15年[9]；

2)超级电容：超大容量(2300μF)，电压值2.7V，电路采用2个串联，使用温度范围(-40℃～70℃)，超长寿命，反复充放电可达50万次，充电效率高达98%；

3)高亮度LED：工作电流为20mA，采用3个LED并联，工作时间可达10万小时；

4) TPS61200：电源芯片，输入电压为0.3～7V变化的电压转换成3.2V的电压，设计电路板时注意衬底加过孔、铺铜皮，以利于散热。

3 结论

通过实验测试表明，该电路在户外照明工作正常稳定，作为户外照明灯具已连续工作多月，一直以来未曾维护。此电路作为一种户外照明电路，用超级电容替代传统的蓄电池的供电，具有使用寿命长、免维护、性能高、环保等优点。

[1] 肖红，张培峰.废旧电池回收处理存在的问题及对策[J].中国资源综合利用, 2005,8: 30-32.

[2] 张琦，王金全.超级电容器及应用探讨[J].电气技术, 2007,8:67-70 .

[3] 王洪礼，何志琴，李德菊.超级电容器与蓄电池性能的比较分析[J].现代机械,2013,3: 63-65.

[4] 佚名，超级电容器：战略价值远超锂电池的标准低碳经济核心产品[EB/OL]．http://blog.9666.cn/xjp991003/1043838，2011-09-03 .

[5] 黄沛昱.基于TPS61200的太阳能电能收集充电器设计[J].重庆邮电大学学报，2013,25(4):501-503.

[6] 秩名.超低输入电压升压式DC/DC转换器TPS61200介绍[EB/OL].http://www.elecfans.com/dianyuan/303487.html,2012-12-29.

[7] 陈英放，李媛媛，邓梅根.超级电容器的原理及应用[J].电子元件与材料, 2008,27(4):6-9.

[8] 刘倩倩.光生伏特效应概述[J].能源与节能, 2013,06:54-54.

[9] 胡兴军.太阳能照明原理、组成及控制系统[J].电源技术应用,2010.