一种用于LED街道照明系统的太阳能供电电路设计

谭智力，朱冬姣，张　旭，蔡扬辉

(中国地质大学自动化学院，湖北武汉430074)

一种用于LED街道照明系统的太阳能供电电路设计

谭智力，朱冬姣，张旭，蔡扬辉

(中国地质大学自动化学院，湖北武汉430074)

针对典型的太阳能供电的LED街灯照明系统，在研究其基本结构的基础上，将其中最重要太阳能充电控制器和LED灯的驱动器作为研究对象，详细分析了这两部分的电路实现方法。设计了以太阳能充电控制器BQ24650为控制核心的充电控制器的电路，探讨了相关元器件参数的计算方法，对其中的MPPT设置及电池缺失检测流程进行了详细分析；分析了LED照明驱动器的组成及其功能，设计了以XL6001为核心的LED驱动电路及以NE555为核心的PWM调光电路；完成了简易太阳能供电LED街灯照明系统，并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的供电方案满足设计要求，表明该方案是有效的。

LED供电系统；充电控制器；驱动器；PWM调光

太阳能作为地球上真正取之不尽的清洁能源，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可见光的半导体器件，具有节能、使用寿命长、环保、安全的特点，这使得其在越来越多的照明场合得到了广泛应用，太阳能LED街道照明系统便是其中之一。它充分利用了太阳能和LED优点，实现了对街道的高效、可持续的照明，是新一代能源和新一代光源的完美结合。这种系统的核心控制器件包括太阳能充电控制器和LED驱动控制器，其中，太阳能充电控制器是整个系统的心脏，对太阳电池的输出功率、效率及蓄电池使用寿命有着重要作用；LED驱动控制器则是直接给LED灯提供驱动电流的设备，是影响LED等亮度、使用寿命的关键设备[1-3]。

本文以太阳能供电的LED街灯照明系统为研究对象，探讨了其基本的构成，设计了以BQ24650为核心的太阳能充电控制器以及以XL6003为核心的照明驱动系统的电路，对该电路的功能及性能参数进行了测试和分析，结果表明，该太阳能供电LED街灯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照明控制系统主要由太阳电池、蓄电池、充电控制器和LED驱动控制器、照明负载(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街道照明系统原理图

太阳能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，有蓄电池里的电能通过驱动电路点亮LED街道照明系统。太阳能板提供24 V的电压，充电控制器输出12 V的电压存储到电池中，LED驱动控制器输出25 V、350 mA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原理框图。从图中可以看出，太阳电池板输出的直流电压经过输入滤波后，通过降压转换电路，再经过电流检测及输出滤波后，得到满足负载需求的直流输出电压，给蓄电池充电，完成能量的传递。输入电压范围为12～28 V，输出电压为12 V。

图2　充电控制器框图

控制电路的核心器件是德州仪器公司的具有最大功率跟踪控制功能的太阳能充电控制器BQ24650，充电控制器整体电路图如图3所示。太阳电池作为控制器的输入，通过BQ24650对开关器件Q1和Q2进行控制，实现降压变换，其输出经过滤波后，对蓄电池进行充电。图中R5、C1和R6、C2构成了输入侧的滤波电路，D2和C5构成了Q1的自举电路；开关器件Q1、Q2及L构成了典型的降压变换电路。下面介绍图中关键电路及其元件参数的选取方法。

图3　充电控制器电路图

2.1最大功率跟踪(MPPT)设置

图3中，R3、R4构成了BQ24650的输入电压反馈电路,这是针对太阳电池板输出最大功率的。太阳电池面板在V-I或V-P曲线上有一个独特的点，称为最大功率点，在该点，整个光伏(PV)系统的工作效率最高并产生其最大输出功率。恒电压法是最简单的最大功率点跟踪(MPPT)方法，BQ24650即是采取该方法实现太阳电池板最大功率输出。当BQ24650的MPPSET引脚检测到输入电压下降时(即太阳电池板的输出电压下降时)，BQ24650自动降低充电电流，使太阳电池板输出电压上升，通过这种方法使太阳电池板输出电压维持在最大功率点处的电压，以获得最大功率。

但是如果MPPSET引脚电压是被迫低于1.2 V时，BQ24650保持在输入电压调节环路的同时输出电流为零。此时STAT1引脚为低电平 (LOW)并且STAT2引脚为高电平(HIGH)，即显示充电进行时，但实际上充电电流为零，并无充电效果。此外，MPPSET引脚还具有充电使能功能，当其电压低于75 mV时，充电将会终止，当其电压恢复到175 mV以上时，充电才会恢复。

MPPSET引脚上的电压被调节到1.2 V，通过式(1)设置调节电压：

本系统R3为499 kΩ，R4为36 kΩ，将VMPPSET设置为17.8 V。

2.2充电电压及充电电流检测电路

图3中的R1和R2、C10构成的是输出电压反馈电路。BQ24650的VFB引脚连接到电池与地之间的电阻分压器的中点，BQ24650内部输出电压的参考值设定为2.1 V。当输出电压变化时，VFB引脚电压发生变化，与设定值产生偏差，通过BQ24650内部的电压控制环路，改变BUCK电路的占空比从而实现输出电压的自动控制。可通过下面给出的公式计算输出电压：

本系统中R1为100 kΩ，R2为499 kΩ，则理论输出电压为12.6 V。

图3中RSR为充电电流的检测电阻。它将电流信号转换成电压信号，送入BQ24650的电流反馈控制引脚SRP和SRN之间。同时在SRN与SRP之间放置一个0.1 μF陶瓷电容来提供差模滤波，并在SRN到GND之间放置一个0.1 μF陶瓷电容提供共模滤波。SRP和SRN之间的满量程差动电压固定为40 mV。充电电流由式(3)确定：

本系统RSR取20 mΩ，理论最大充电电流2 A。

2.3电池缺失检测

BQ24650具有电池缺失检测功能，通过输出电压反馈电路，可以进行电池缺失检测。即在充电开始前，先检测有无电池，若有电池才能开始充电，否则系统将一直循环电池检测周期。在电池检测过程有两个重要电压阀值参数：VRECH和VLOWV，VRECH为2.05 V，VLOWV在1.54～1.56 V间，典型值为1.55 V。BQ24650的电池检测过程如图4所示。

图4　电池缺失检测流程

一旦系统通电，BQ24650通过VFB引脚检测电压，若在1 s内检测到的电压仍低于VLOWV阈值时，说明没有电池或者电池电压过低，这时BQ24650会通过打开高侧MOSFET开关进行短暂充电，这段充电时间为500 ms。若在这500 ms内VFB引脚检测到的电压仍小于VRECH，则说明没有电池或电池损坏。此时，BQ24650会循环检测周期而不会进行正常的充电行为，两个充电状态引脚STAT1和STAT2会显示充电故障。若在开始的1 s内检测到电压大于VLOWV或在之后的开启充电的500 ms内检测到电压大于VRECH，则说明电池存在，就会进行正常的充电。

3　LED驱动控制器

LED驱动电路是太阳能供电LED街灯照明系统主要部分，其输入为12 V，输出25 V，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[4-6]。

本文的LED驱动电路选用芯龙半导体公司的XL6001芯片构成。XL6001是专为LED升压恒流驱动的开关控制器，它具有宽输入电压3.6～36 V，2 A输出电流能力，内置优化的MOSFET，具有完备的保护功能，比如过热保护、欠压保护、过压保护及过流保护，并内置软启动功能，电路效率可达92%。

3.1LED控制电路

以XL6001为核心的LED驱动电路如图5所示。图中L1为升压电感。整个驱动电路的输入电压是12 V，通过电感式升压，使输出25 V、电流恒流为350 mA。

图5　LED驱动控制器电路

XL6001内部设置了输出电流对应的参考电压基准为0.23 V，可以利用这个条件来选择电流检测电阻的值，如式(4)所示：

式中：ID为LED的电流，比如ID=330 mA时，Res可选择0.68 Ω的电阻。

升压电感L1是电路中的重要器件，在计算电感的值时，必须使电感的饱和电流大于每个周期电感上的尖峰电流。选择较低DCR的电感将会降低功耗，增加效率。电感的最小值可通过式(5)来选择。

式中：Vin为输入电源电压；RDSON为开关管通态电阻；D为占空比。

3.2PWM调光电路

PWM调光基本方法是：将占空比可调的矩形波送至EN端，通过改变控制信号的占空比来控制XL6003的工作与待机时间的比例，达到调光的效果。

本文采用NE555为核心的振荡电路来产生调光的PWM波，如图5(b)所示。刚通电时，由于C1上的电压不能突变，即2脚的电位为起始电平的低电位，使芯片置位，3脚为高电平。C1通过RA、D1对其充电，充电时间为：

电压充到阀值电平2/3Vin,芯片复位，PWM输出端为低电平，接着通过D2、RB和芯片内部的放电管放电，使VC1下降。当VC1下降到1/3Vin时，芯片置位，PWM输出端为高电平，放电时间为：

振荡周期T=t充+t放。如此周而复始，改变电阻触点的位置，则输出宽度变化的PWM波。

设PWM波的占空比为D，则即调节电位器可得PWM波占空比最大值和最小值为：

PWM波的频率可由式(10)得到：

根据式(10)可计算C1的值。

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12～24 V变化时,其输出电压在12.8～13 V变化,纹波在1.2%～1.8%范围变化，到达了充电控制器的设计目标。图6为充电控制器电压参数测试结果。

图7和图8是验证电池缺失检测功能的波形图。图7是未接电池时的输出波形，图8是接电池时输出电压波形。图中vi为输入电压，vo是充电控制器的输出电压。由图7可见，输出端电压vo呈现4.8 V的周期性压降，周期约为550 ms。这与设计手册里给出的结论是一致的。

表1是蓄电池从10.8～14.8 V变化时，LED驱动控制器的输入电流、输出电压、输出电流的测试数据，图9是驱动控制器的效率曲线。

从表1和图9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10是实际的照明系统图。

图6　充电控制器电压参数测试结果

图7　未接电池时输出电压波形

图8　接电池时输出电压波形

表1　LED驱动控制器输入、输出电压电流值

图9　输入电压-效率曲线图

图10　实际的照明系统图

5　总结

本文设计了一种太阳能供电LED街灯照明系统的电路，包括以BQ24650为核心的充电控制器电路和以XL6001为核心的LED驱动电路，同时还设计了以NE555为核心的PWM调光电路，对电路进行了详细的分析，介绍了关键器件的参数计算方法，完成了实验电路，并对相关参数进行了测试，结果表明，该系统实现了对LED灯的供电控制，达到了设计要求，表明本文设计的电路是有效的。

[1]张华龙.LED光伏照明系统的研究[D].天津：天津大学，2008.

[2]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.

[3]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(4)：54-58.

[4]刘胜利.高亮度LED照明与开关电源供电[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]WINDER S.Power Supplies for LED Driving[M].London：George Newnes LTD,2008.

[6]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.

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

谭智力(1973—)，男，湖北省人，副教授，主要研究方向为电力电子与电力传动。

朱冬姣(1972—)，女，湖北省人，讲师，主要研究方向为电力电子与电力传动。Email：zhudongjiao@sina.com.cn