本文介紹的太陽(yáng)能LED街燈方案，能自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境光以控制路燈的工作狀態(tài)，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)保證最大太陽(yáng)能電池板效率，恒電流控制LED，并帶有蓄電池狀態(tài)輸出以及用戶可設(shè)定LED工作時(shí)間等功能。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)原理
目前街燈普遍使用的是市電供電的高壓鈉燈結(jié)構(gòu)，其中高壓鈉燈的電子驅(qū)動(dòng)部分需要把市電從交流轉(zhuǎn)化為直流，再逆變到交流來(lái)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低;而且由于使用的是市電，需要鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線。太陽(yáng)能-LED街燈則不具備以上的問(wèn)題，由于太陽(yáng)能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅(qū)動(dòng)光源，兩者的結(jié)合更能提高整個(gè)系統(tǒng)的效率;太陽(yáng)能的使用也免去了鋪設(shè)電纜及其相關(guān)工程的費(fèi)用。
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圖1
圖1是一個(gè)太陽(yáng)能-LED街燈的結(jié)構(gòu)示意圖。太陽(yáng)能電池板在太陽(yáng)光的照射下，其內(nèi)部PN結(jié)會(huì)形成新的電子空穴對(duì)，在一個(gè)回路里就能產(chǎn)生直流電流;這個(gè)電流流入控制器，會(huì)以某種方式給蓄電池充電。蓄電池在白天的時(shí)候會(huì)接受充電，而在晚上則會(huì)提供能量給LED。LED的工作是通過(guò)控制器進(jìn)行的，控制器在保證LED恒流工作的同時(shí)，也會(huì)監(jiān)測(cè)LED的狀態(tài)以及控制工作時(shí)間長(zhǎng)短。連續(xù)陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下，控制器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)來(lái)啟動(dòng)外部的市電供電系統(tǒng)(不包含在控制器中)，保證LED的正常工作。外部的市電供電系統(tǒng)只是作為后備能源，只有在蓄電池電能不足的情況下才會(huì)被使用。蓄電池的充電完全只是通過(guò)太陽(yáng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以確保最大限度使用太陽(yáng)能。
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圖2
圖2是控制器的結(jié)構(gòu)方框圖。太陽(yáng)能電池板進(jìn)來(lái)后會(huì)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)開關(guān)MOS管KCHG連接到直流/直流變換器(蓄電池充電電路)，此變換器的輸出連接到蓄電池兩端(實(shí)際電路里會(huì)先通過(guò)一個(gè)保險(xiǎn)絲再連到蓄電池上)。加上KCHG有兩個(gè)作用：一是防止太陽(yáng)能電池輸出較低時(shí)由蓄電池過(guò)來(lái)的反充電流;二是當(dāng)太陽(yáng)能電池板極性接反時(shí)起到保護(hù)電路的作用。直流/直流變換器采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇不僅得考慮太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)電壓和蓄電池最大電壓，而且同時(shí)得兼顧效率和成本。蓄電池和LED之間也是通過(guò)一個(gè)直流/直流變換器(LED驅(qū)動(dòng)電路)，對(duì)LED要采用恒流控制方式，考慮到蓄電池電壓的波動(dòng)范圍以及LED的工作電壓范圍，設(shè)計(jì)電路中采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)保證恒流輸出。反激式拓?fù)涞男室话銢]有簡(jiǎn)單的升壓或者降壓電路高，如果要提升系統(tǒng)的效率，可以通過(guò)優(yōu)化蓄電池電壓與LED電壓的關(guān)系來(lái)采用升壓或者降壓電路，提升效率并可能進(jìn)一步減低成本。
整個(gè)控制器的控制是通過(guò)一個(gè)MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，MCU的主要工作包括以下幾點(diǎn)：一是采用MPPT算法來(lái)優(yōu)化太陽(yáng)能電池板工作效率;二是針對(duì)蓄電池不同狀態(tài)采用合適的充電模式;三是保證LED驅(qū)動(dòng)電路的恒流輸出;四是判斷白天黑夜并以此來(lái)切換蓄電池充電和放電模式;最后就是提供監(jiān)控保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)、狀態(tài)輸出和用戶控制輸入檢測(cè)(DIP1~4)等功能。MCU的選擇最主要是滿足ADC、GPIO和外部中斷的需要，不需要單純追求速度。表1列出了實(shí)際電路中MCU外圍設(shè)備的使用情況，考慮到以后擴(kuò)展的需要，主控芯片使用STM32F101RXT6 (意法半導(dǎo)體最新款STM32系列MCU，采用Cortex-M3內(nèi)核)。
表1： MCU外設(shè)分配。
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表1
控制器輔助電源直接從蓄電池變換而來(lái)，蓄電池輸入通過(guò)線性電源(L78L12)得到12V，供給邏輯電路和PWM開關(guān)信號(hào)放大;3.3V通過(guò)12V接開關(guān)電源(L5970D)而來(lái)，主要給MCU和周邊電路供電，之所以用開關(guān)電源是為了提高轉(zhuǎn)換效率(減少蓄電池耗電)以及在以后擴(kuò)展系統(tǒng)時(shí)可以提供足夠負(fù)載，當(dāng)然，為了減少成本，完全可以用線性電源來(lái)實(shí)現(xiàn)。