基于新型基板封裝技術的風光互補LED照明控制器設計

祝亞峰 劉 飛 付念先

(國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，湖北武漢 430074)

1 引言

目前，風光互補路燈系統發展較快，風光互補控制器種類較多，但真正能很好的達到經濟性、可靠性和安全性的系統還不多，其主要的原因之一是沒有一個良好的控制系統。風光互補照明控制器工作在戶外環境中，是風光互補路燈系統的核心，對控制器的技術要求較高，在滿足使用功能的前提下還要做到控制智能化、可靠化、壽命長、穩定性好。

常規的光伏控制器在蓄電池充滿以后，會啟動開路保護模式，斷開太陽能電池板與蓄電池的充電回路，達到保護蓄電池的作用。但是對風光互補照明系統而言，在蓄電池過充時風機是不能直接進行開路保護，一般都是采用卸荷器對風機進行剎車［1］～［7］。

本文通過深入研究風光互補照明系統工程應用存在的問題，結合多年的實踐經驗，提出了一種基于新型基板封裝的風光互補LED照明控制器設計方法，其采用新穎的電路和特殊的電路封裝方式，很好的解決目前現有風光互補照明系統出現的剎車故障問題，提高了風光互補照明系統的可靠性。

2 系統構成［8］～［10］

如圖1所示，風光互補照明系統由風力發電機、太陽能電池板、蓄電池、控制器和卸荷器等五大部分組成。

圖1 風光互補照明系統圖Fig.1 Wind and solar lighting system

整個系統中，控制器的功能主要包括蓄電池的充放電管理、LED燈的通斷及全功率/半功率控制、風機的充電及卸荷控制、系統軟硬件方面的保護等。

3 系統設計

3.1 控制器原理

風光互補控制器按功能模塊分為控制電路與功率電路，如圖2所示。

圖2 控制器硬件原理圖Fig.2 The controller hardware schematics

控制電路包括單片機、AD轉換電路、顯示按鍵電路、IO驅動電路、硬件保護電路和接口電路;功率電路板采集到的蓄電池、太陽能電池板、LED燈的電壓和電流信號通過接口電路送入AD轉換電路，AD轉換電路將信號轉換為單片機能夠識別的信號，送入單片機，由單片機對轉換后的結果進行處理，然后給出控制指令，發送給顯示按鍵電路和IO驅動電路;

功率電路包括蓄電池電路、太陽能電池板電路、LED燈電路、風力發電機電路、卸荷比較電路、風機卸荷電路和接口電路，外部設備蓄電池、太陽能電池板、LED燈分別連接到蓄電池電路、太陽能電池板電路和LED燈電路，經風力發電機電路輸出的電壓信號送入卸荷比較電路，由卸荷比較電路比較，并發出控制指令至風機卸荷電路。

3.2 常規卸荷控制方法

在風光互補照明系統中，當蓄電池過充或風速過高時需要對風機進行剎車，常用的保護控制方法是經過控制器AD轉換電路采集風機整理輸出電壓，通過單限比較電路來判斷風機卸荷與否。

如圖3所示，Vcc_Wind、GND_Wind分別為風機整流后的輸出端，LM393D為比較芯片，2腳為比較器輸入參考電壓端。3腳通過分壓電阻R23、R24將風機輸入電壓輸入到3腳。TVS為穩壓、防沖擊二極管，C10為濾波電容。通過比較風機整流后的電壓來產生門控型號Gate Shunt輸出高，低電平來控制是否卸荷。

圖3 單限比較Fig.3 Single limit comparator

如圖3所示，單限比較器很靈敏，理想情況下比較器的輸入電壓達到參考電壓時，比較器切換輸出狀態，但是實際情況下風能隨機性較大，產生的電壓斷斷續續，比較器的開關特性為非線性，于是會造成比較器平繁的切換狀態，抗干擾能力比較差。這時控制風機卸荷的MOS開關管處于導通與半導通狀態，MOS容易燒毀，造成控制器的損壞。

3.3 新的卸荷控制方法

如圖4所示，根據圖3中單限比較器抗干擾能力差，我們引入滯回比較電路。通過輸出引腳1反饋到引腳3，電路的輸出特性在兩個閾值區間，在這個區間兩個閾值點間進行卸荷功能切換。不會頻繁切換工作狀態，提高了比較器的穩定性，因而也就具有一定的抗干擾能力。其中12V為比較器的供電電壓，RM1為輸出端上拉電阻，R23、R25為分壓電阻，引腳2為參考電壓。

通過長期試驗與工程應用，采用滯回比較電路的卸荷預判系統能夠完善的保護控制器內部開關元器件，挺高卸荷性能的穩定性，達到實際工程應用的要求。

圖4 滯回比較器Fig.4 Hysteresis comparator

4 基板封裝技術

在風光互補照明系統中，通過太陽能電池板、風力發電機對蓄電池充電過程中會產生大量的能量轉換，其中一部分能量通過熱能消耗掉，這對系統電路的穩定性帶來很大風險，特別是在炎熱的夏天，戶外溫度達到40多少度，當控制器進行電能轉換或風機卸荷時會產生大量的熱量，如果不能及時的進行散熱，控制器內部電子元件會隨溫度的上升而改變特性，導致控制器燒毀。

通過控制器電路設計規格，自主創新設計成鋁基板封裝電路板。其獨特的金屬鋁板，具有良好的導熱性、電氣絕緣性能和機械加工性能?？焖偕l風速很大時控制器功率過大損耗的熱量，可承受大電流和高溫度循環等沖擊，使風光互補控制器具有高可靠性、低成本、低功耗等特點。

如圖5所示，控制器外部主要由外殼1、鋁基板2和散熱器3組成，鋁基板2位于外殼1底部，散熱器3與鋁基板2緊密貼合在一起。鋁基板2與散熱器3相接觸面涂有導熱硅脂，可承受大電流和高溫沖擊，控制器功率電路直接焊接在鋁基板上，鋁基板與散熱器相連，利于散熱。

通過長期試驗與工程應用，采用鋁基板封裝的風光互補控制器在散熱性能上是一般控制器的10倍，能夠快速散發熱量，保護控制器。

圖5 控制器結構圖Fig.5 Controller structure

5 結論

新型基板封裝的風光互補LED照明控制器通過新型基板封裝技術以及智能卸荷模塊的接入功能，解決了風力發電機過速造成的損害。這種方案一方面解決了風力發電機過速制動剎車、快速散熱，另一方面也提高風能，太陽能供電可靠性和電能質量。同時，該控制系統能夠實現潮流的控制，從而達到一定程度的削峰填谷的作用，既緩解了用電矛盾，也改善了電網電源結構。

［1］彭路明.新型太陽能路燈控制器設計與實現 ［D］.新疆:新疆大學.

［2］馮麗平.風光互補發電系統設計與實現 ［D］.上海:上海大學.2007.

［3］王濤.小型風光互補發電系統控制器的研究［D］.合肥:合肥工業大學，2009.

［4］謝自美.電子線路設計·實驗·測試［M］.武漢:華中科技大學出版社，2000.

［5］吳建平，殷戰國，等.紅外反射式傳感器再自主式尋跡小車導航中的應用［J］.中國測試技術，2004，30(6):21～23.

［6］徐友春，王榮本.一種機器視覺導航的智能車輛轉向控制模型設計 ［J］.中國公路學報，2001，14(3):96～100.

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

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

［10］Todd D.Morton，嚴雋永 譯.嵌入式微控制器 ［M］.北京:機械工業出版社，2005.