太陽能LED路燈的研制

李余興，馬建倉，葉 祥

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

隨著現代化發展的要求，能源的緊缺，污染的嚴重等綜合影響，節能環保智能化的太陽能照明設備得到了很快的發展，并且有著非常好的市場需求前景。在太陽能利用方面，美國、歐洲以及日本起步最早，并且現階段整體光伏發電系統以及太陽能利用方面也較為完善。由于擁有先進的光伏發電技術為基礎，加之完整的體系架構，太陽能LED路燈發展非常迅速，并且在很多城市地區已經大規模投入使用。國內方面，近幾十年來太陽能光伏產業在燈具照明領域得到不斷發展，伴隨著LED市場的火熱，太陽能LED照明設施也得到了很多利用，但是這些往往集中在高尖端領域或是利用在非常重要的場合，還沒有遍及到普通的市政路燈照明。太陽能LED路燈以太陽為能源，其無需復雜昂貴的管線鋪設，可任意調節燈具的布局，具有安全節能環保便捷等很多優點。并且以大功率LED作為負載照明，LED燈相比較白熾燈以及節能燈，其發光效率高、耗電量小、安全環保可靠性強。

1 太陽能LED路燈總體設計

太陽能路燈由太陽能電池板、蓄電池及充電電路、LED燈具及LED驅動電路、控制器、光照和聲音檢測電路及手持控制器組成，如圖1所示。白天太陽能電池給蓄電池充電，夜晚蓄電池自動供電照明。采用大功率LED恒流驅動芯片，配合基本電路提供穩定安全的恒流電源，維持LED燈的長壽命工作；配合主控制器產生的PWM信號，實現對LED照明的光強控制。光控、聲控電路可以根據不同外界條件控制照明。可以通過手持遙控器控制路燈，并且能夠獲取路燈狀態信息，完成故障檢測。通過判斷蓄電池的充電狀態，自動采用相應的充電方式進行充電，過溫保護電路可延長蓄電池使用壽命。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Block diagram of system

選擇12個1 W白光LED作為光源，其額定光通量為100 lm，路燈光通量達1 200 lm，相當于120 W白熾燈，可以滿足小型街道照明。以西安地區為例，峰值日照為3.5小時，平均每天照明時間7小時，連續陰雨天最長7天，可選用12 V 50 AH的蓄電池。根據太陽能電池組件綜合損失系數及蓄電池充電效率，采用60 Wp的太陽能電池板。

2 系統硬件電路設計

2.1 控制器

采用美國Silicon Labs公司推出的Si1000芯片作為控制器，集成了超低功耗MCU及高穿透力的RF芯片。Si1000系列無線微控制器內部集成了25 MHz的8051內核，EZRadioPRO系列略低于1 GHz的RF收發器件，最大64 kB的Flash以及最高12 bit分辨率的ADC，所有這些均集成在一個5 mm×7 mm的緊湊的封裝中。Si1000系列無線微控制器為用戶提供領先的RF性能，包括最高的發射功率，最高的接收靈敏度和最高20 dBm的發射功率和－121 dBm的靈敏度，使系統擁有了高達141 dB的鏈路預算。文中無線遙控RF頻率為433 MHz。單片機的P1.6與P1.7分別與LT3652的CHRG和FAULT引腳相連，用于檢測蓄電池的充電狀態。P1.5與LT3756的PWM引腳相連，可以產生不同占空比的PWM信號，驅動LED照明及調光。P2.0與P2.1分別與光照強度及聲音檢測模塊輸出端連接，實現對LED燈的自動控制。

2.2 充電電路

采用LT3652充電芯片，其輸入電壓調節環路電路提供幾乎與最大峰值功率跟蹤（MPPT）充電方法同樣的充電效率，如圖2所示。太陽能板輸出電壓隨太陽光的強度變化，LT3652可接受4.95～32 V的寬輸入范圍，可以滿足太陽能板的輸出范圍[6]。在輸入電源調節欠佳時，輸入電壓調節環路還允許優化充電。該器件可為各種配置的電池組充電。LT3652的充電電流可編程高達2 A。可以通過對R1的選取來設置充電電流，文中R1取值0.1 Ω，對應充電電流為1 A。這個獨立的電池充電器不需要外部微控制器，具有用戶可選的終止，包括C（蓄電池額定容量）/10或內置定時器。本文采用定時器中止方法，通過對電容C1的取值的完成對中止時間的設置。例如選擇1個0.68 μF的電容可以設置為3小時定時中止。 該器件的1 MHz固定開關頻率可實現小的解決方案尺寸。浮置電壓反饋準確度規定為0.5%，充電電流準確度為5%，C/10檢測準確度為±2.5%。一旦充電終止，LT3652就自動進入低電流備用模式，這種模式將輸入電源電流降至85 μA。在停機模式，輸入偏置電流降至15 μA。就自主充電控制而言，如果電池電壓降至比設定的浮置電壓低2.5%，那么自動再充電功能就啟動一個新的充電周期。本文對12 V 50 AH的密封鉛酸進行3階段充電。第1階段以1 A恒流快速充電到蓄電池電壓達到14.4 V；第2階段以14.4 V恒壓充電，當電流下降到0.1 A時進入第3階段，13.5 V浮充階段；當蓄電池電壓低于13.2 V時，自動進入新一輪充電。電路中的R9為一個熱敏電阻，當檢測到蓄電池溫度超出0～45℃范圍時，芯片將停止充電，可有效保護蓄電池并延長其使用壽命。

2.3 LED驅動電路

圖2 充電電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of charger circuit

LED驅動電路采用具有高端電流檢測DC/DC轉換器LT3756，該器件為驅動大電流LED而設計，如圖3所示。其6～100 V的寬輸入電壓范圍使該器件非常適合于種類繁多的應用，包括汽車、工業和建筑照明。 文中R1、R2、V in和SHDN組成的分壓電路可以將輸入電壓范圍限制在8～80 V，可以滿足12 V蓄電池作為電源。LT3756使用一個外部N溝道MOSFET，可以用標稱值為12 V的輸入驅動多達20個1 A的白光LED。文中驅動12×1 W串聯的大功率白光LED，測得LED兩端電壓34～38 V之間，所以要求C2的耐壓值要高于38 V，這里選用耐壓值為50 V 10 μF的電容。它含有高端電流檢測，從而使它能夠用于升壓、降壓、降壓－升壓、SEPIC（單端初級繞組電感變換器）中。文中采用SEPIC模式，這種電路最大的好處是輸入輸出同極性，尤其適合于電池供電的場合，另外通過主回路上的電容C1實現輸入輸出的隔離，具備完全關斷功能，當開關管關閉時，輸出電壓為0 V。LT3756在升壓模式時可以提供超過90%的效率，從而無需任何外部散熱措施。頻率調節引腳允許用戶在100 kHz～1 MHz范圍內對頻率編程，本文對R2取值28.7 kΩ將頻率設置為400 kHz，在優化效率的同時也最大限度地減小了外部組件的尺寸和成本。結合3 mm×3 mmQFN或耐熱增強型MSOP－16封裝，LT3756提供了一個非常緊湊的驅動器解決方案。

圖3 LED驅動電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of LED driver circuit

LT3756采用PWM調光，以寬達3 000:1的調光范圍提供恒定LED色彩。CTRL引腳可用來提供一個10:1的模擬調光范圍。其固定頻率、電流模式架構確保在寬電源和輸出電壓范圍內穩定工作。一個以地為基準的電壓FB引腳用作幾種LED保護功能的輸入，從而使該轉換器可以作為一個恒定電壓源工作。經過實際測試，可以實現LED照明及調光功能。

3 系統軟件設計

控制軟件程序采用C語言編寫，通過C2接口編程實現對電路的控制。采用自動和遙控兩種控制模式。自動控制是根據不同時間段結合光照強度和聲音大小采取相應的控制策略。遙控控制模式是通過手持遙控器進行控制，當檢測到通訊信號時觸發中斷進入遙控控制模式，讀取緩沖區中命令并執行，直到收到退出遙控模式命令時退出遙控控制模式，如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖Fig.4 Flow chart of system software

4 結束語

文中所研制的太陽能LED路燈，采用低功耗耐高溫Si1000無線收發主控芯片，結合專用蓄電池充電芯片和LED驅動芯片，滿足了小型化、功耗低、高效率、智能控制的需求。采用新型蓄電池充電芯片，無需單片機控制，充電效率高。三段式對蓄電池充電，有故障檢測和保護功能，有利于延長蓄電池使用壽命。利用大功率LED恒流驅動芯片以及PWM調光技術使得整體電路更為簡單，性能更為穩定。采用光控、聲控、無線控制相結合的智能化控制，使得照明設備更人性化，操控性更強，維護簡單控制方便。可以逐步取代小型街道照明設備，具有很大的市場前景和經濟效益，并且能夠很好的響應節能環保的社會生活理念。

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[4]Linear Technology Corporation.LT3652 Datasheet[EB/OL].[2011-11-01].http://www.linear.com.cn/product/LT3652

[5]Linear Technology Corporation.LT3756 Datasheet[EB/OL].[2011-11-01].http://www.linear.com.cn/product/LT3756.

[6]劉陽.基于LT3652的太陽能充電器設計方法[J].電子設計工程，2011，19（17）：167-170.LIU Yang.A solar charger design method on LT3652[J].Electronic Design Engineering，2011，19（17）：167-170.