基于超級電容儲能的太陽能LED花園燈電路設計

謝應然，楊元凱

(佛山職業技術學院，廣東佛山 528137)

目前市場上的太陽能花園燈普遍是采用蓄電池蓄電,而蓄電池的使用壽命一般為2～3年(可充放電不到1000次)，且需要經常維護，耗時，費力，造成不便的同時也不環保；傳統花園燈利用蓄電池充放電，而廢舊鉛蓄電池有組織回收率不足30%，會對環境造成很大的污染[1]。超級電容具有諸多特點：壽命超長可千萬次反復地充、放電；安全可靠，儲能巨大，充放電效率高(98%)[2]；超級電容器是綠色能源(活性炭)，不污染環境；相對成本低，超級電容器的壽命比鉛酸電池高20～200倍[3-4]。在此背景下，本文設計一種用超級電容替代傳統的蓄電池，采用電源芯片TPS61200進行電壓轉換，提供LED恒流驅動電流，實現花園燈自動亮燈。

1 電源芯片TPS61200簡介

1.1 TPS61200功能與參數

TPS61200引腳排列[5-6]如圖1所示，TPS61200系列引腳功能如表1所示。

圖1 TPS61200的引腳排列Fig.1 TPS61200 pins are arranged

TPS61200系列主要電特性參數：可調輸出電壓為1.8～5.5V；固定3.3V輸出電壓允差±0.03V；固定5.0V輸出電壓允差±0.05V；內部平均開關電流限制為1350mA；靜態電流典型值50μA；關閉狀態時耗電小于2μA；EN端低電平：VIN<0.8V它小于<0.1VIN、VIN>1.5V時它小于0.4V、0.8V≤VIN≤1.5V時它小于0.2VIN；EN高電平：VIN<0.8V時它大于0.9VIN、 VIN>1.5V時它大于1.2V、0.8≤VIN≤1.5V時它大于0.8VIN；PS輸入低電平<0.4V、PS輸入高電平>1.2V；開關管開關頻率1250～1650kHz。

TPS61200系列主要極限參數：輸入電壓為0.3～7V(包括VIN、L、VAUX、VOUT、PS、EN、FB、UVLO端)。建議工作條件：VIN=0.3～5V。

表1 TPS61200引腳功能

1.2 典型應用電路

圖2是一種輸出電壓可設定的電路。輸出電壓VOUT與外接電阻分壓器R1、R2有關[6]，如式(1)所示：

VOUT=VFB(R1/R2+1)

(1)

式(1)中，VFB=500 mV，R1可設為1MΩ，則可求出R2值。例如，要求VOUT=3.3 V，代入式(1)可求出R2=178.57 kΩ，可取標準電阻值180 kΩ。

圖2 TPS61200典型應用電路Fig.2 TPS61200 typical application circuit

在圖2中，EN端、PS端、UVLO端接VIN，這表示電源不采用EN端加低電平來關閉電源；PS端高電平表示在重負載條件下工作(此時振蕩器按固定頻率工作)；UVLO接VIN，表示在VIN<250 mV時，使電源關閉，VOUT=0 V，并鎖存；只有當VIN>350 mV時電源才恢復工作。

在圖2中，VAUX接0.1μF接地，是為了穩定地工作。此電容器在啟動時向C3充電到一定值后，開關管才導通，它對開關管起緩沖作用。若輸出電壓VOUT<2.5 V時。C3值可采用1μF。C1是輸入電容，其值最小是4.7 μF，C2是輸出電容，采用式(2)選擇C2值：

C2=5L(μF/μH)

(2)

式(2)中，若L=2.2μH，則C2可取10 μF。C2也采用多層陶瓷電容。采用更大容量的C2可減小輸出紋波電壓、減小瞬態負載變化引起的輸出電壓跌落。圖2中電感器L1值可用以式(3)來估算：

Lmin=VIN×0.5 μS/A

(3)

由式(3)知，一般L1在1.5～4.7 μH之間取值，在整個輸入電壓與輸出電壓范圍內有較好的性能。

2 電路工作原理

2.1 產品設計思路

采用超級電容代替蓄電池儲能，其放電次數可達50萬次以上，同時使用溫度范圍廣(-40℃～70℃)，性能穩定，結構簡單免維護，其使用壽命可達10年以上[7]；采用TPS61200電源芯片進行電壓轉換，它能根據輸入電壓的大小自動切換升/降壓模式，而在輸出功率較低時有節能模式，提高效率，還有輸出電路保護及過熱保護；能采用EN端加低電平來關閉電源從而控制白天與夜晚花園燈工作切換，用太陽能充電及開/關過程采用自動控制，無需人工操作，省時省力又放心,使該產品融于了綠色理念。

2.2 電路工作原理

控制電路如圖3所示：太陽能花園燈的太陽能電池板TYN(6V 80mA)利用光生伏特效應原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉化為電能[8]輸出，通過R1，R2的分壓，Q1的基極處于高電平，而集電極處于低電平(開關已閉合)，而電源芯片TPS61200的6腳使能端EN是高電平有效，因此TPS61200處于休眠態，靜態電流很微弱(2μA)，幾乎不耗電，所以，白天燈不亮，電能儲存在超級電容中；當夜晚光照度逐漸降低時，太陽能電池板板停止工作，通過R1，R2的分壓，Q1的基極處于低電平，此時Q1的集電極處于高電平，使能端EN激活電源芯片TPS61200工作，VOUT(②腳)輸出電壓，通過電阻R6電流取樣，R4與R5、R6串聯分壓，將電源芯片TPS61200巧妙的設計成LED恒流驅動電源，推動LED發光。由R4、R5、R6電阻值可估算恒流電流值大小，設定LED電流值I為60 mA,R6選用2 Ω，R4選用82 kΩ，設定LED工作電壓為3.1V，則可計算近似得到R5大小：

R6壓降：UR6=I×R6=60 mA×2Ω=0.12 V；

R5壓降：UR5=0.5 V-0.12 V=0.38 V；

R4壓降：UR4=3.1 V-0.38 V=2.72 V；

所以，R5大小：R5=UR5/(UR4/R4)≈10.5 kΩ。

從而可選取R5近似為10.5 kΩ 。由此設計電路可供給LED電流值近似為60 mA。超級電容通過電源芯片TPS61200轉換電路為花園燈LED發光供電。

圖3 花園燈電路原理圖Fig.3 Garden lamp circuit principle diagram

2.3 重要參數指標分析

超級電容存貯電量：兩電容串接，每個電容容量2300F,則電容總容量為1150F。設計滿電壓5.0V， 1150F電容的電量為6750C，電壓下限是0.3 V，電容放電的有效電壓差為4.7 V，所以有效電量為5405C。

維持供電時間計算：若電流消耗以60mA給LED驅動，則供電時間為25.0小時。對于陰雨天氣，在不計白天太陽能電池有轉換電能情況下，仍可保證正常維持3個夜晚照明。

2.4 主要器件選用

1)太陽能板：功率4W ，工作電壓6V ，工作電流 0.66A，正常工作10～15年[9]；

2)超級電容：超大容量(2300μF)，電壓值2.7V，電路采用2個串聯，使用溫度范圍(-40℃～70℃)，超長壽命，反復充放電可達50萬次，充電效率高達98%；

3)高亮度LED：工作電流為20mA，采用3個LED并聯，工作時間可達10萬小時；

4) TPS61200：電源芯片，輸入電壓為0.3～7V變化的電壓轉換成3.2V的電壓，設計電路板時注意襯底加過孔、鋪銅皮，以利于散熱。

3 結論

通過實驗測試表明，該電路在戶外照明工作正常穩定，作為戶外照明燈具已連續工作多月，一直以來未曾維護。此電路作為一種戶外照明電路，用超級電容替代傳統的蓄電池的供電，具有使用壽命長、免維護、性能高、環保等優點。

[1] 肖紅，張培峰.廢舊電池回收處理存在的問題及對策[J].中國資源綜合利用, 2005,8: 30-32.

[2] 張琦，王金全.超級電容器及應用探討[J].電氣技術, 2007,8:67-70 .

[3] 王洪禮，何志琴，李德菊.超級電容器與蓄電池性能的比較分析[J].現代機械,2013,3: 63-65.

[4] 佚名，超級電容器：戰略價值遠超鋰電池的標準低碳經濟核心產品[EB/OL]．http://blog.9666.cn/xjp991003/1043838，2011-09-03 .

[5] 黃沛昱.基于TPS61200的太陽能電能收集充電器設計[J].重慶郵電大學學報，2013,25(4):501-503.

[6] 秩名.超低輸入電壓升壓式DC/DC轉換器TPS61200介紹[EB/OL].http://www.elecfans.com/dianyuan/303487.html,2012-12-29.

[7] 陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級電容器的原理及應用[J].電子元件與材料, 2008,27(4):6-9.

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[9] 胡興軍.太陽能照明原理、組成及控制系統[J].電源技術應用,2010.