太陽能LED照明的能量轉(zhuǎn)換解析

背景

太陽能照明的示例不勝枚舉。無論是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)使用太陽能臺(tái)燈作為夜間閱讀的照明燈，還是對(duì)公共街道照明進(jìn)行全面部署，對(duì)太陽/LED照明組合系統(tǒng)的需求都具有多樣性、接受度高及全球化的特點(diǎn)。唯一不同之處僅在于最終應(yīng)用的需求規(guī)模(閱讀與一般照明的要求截然不同)。

所有此類系統(tǒng)的核心組件均包括：i) 太陽能電池;ii) 電池;iii) LED.如果采用更廣義的描述，這些組件分別為：太陽能采集器(太陽能電池)、儲(chǔ)能裝置(電池)以及耗能裝置(LED)。雖然這并不十分準(zhǔn)確，但有助于突出分析的靈活性。圖1a給出了最基本的系統(tǒng)配置。

圖1:兩種系統(tǒng)配置

不過，為使這種方案生效，每個(gè)組件的特性必須彼此兼容。對(duì)于本例而言，這意味著太陽能電池的輸出電壓/電流特性必須與電池的充電曲線匹配，電池的放電曲線必須滿足LED的驅(qū)動(dòng)要求。我們很快發(fā)現(xiàn)，圖1(a)中的配置不能滿足上述要求。

組件概述

回顧一下每個(gè)組件的性能特性，如圖2(a到d)所示的伏安特性，我們發(fā)現(xiàn)，盡管可以在有限的配置集中使這些組件的特性相互接近，但幾乎無法保證能達(dá)到合理的性能水平。我們很快發(fā)現(xiàn)，太陽能電池的電壓(單片電池)最高為1V左右，而NiMH電池的工作電壓介于0.9V與1.4V之間，而且雖然LED的正向電壓通常高于3V,但需要恒流源。此外，NiMH電池為延長使用壽命，還有一些特殊的充電要求。

雖然可以開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)直接連接所有組件，但應(yīng)清楚，這種配置存在很大的局限性，并且會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體效率與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖2:組件伏安特性以及驅(qū)動(dòng)要求要打破這些限制，我們可以看一下圖1(b)所示的備選系統(tǒng)圖。此系統(tǒng)配置在三大核心組件之間分別添加了電力電子接口，可大幅提高系統(tǒng)的靈活性，并且可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。在此配置中，單片機(jī)并非必不可少。可以采用獨(dú)立的電池充電器集成電路(IC)來滿足NiMH充電曲線的要求，與此類似，可以采用LED驅(qū)動(dòng)器IC將電池電壓轉(zhuǎn)換為恒流源。

但這種配置至少存在以下兩方面缺點(diǎn)。第一，靈活性受到限制。所選器件的工作范圍很可能比較窄，這會(huì)限制它們響應(yīng)系統(tǒng)變化或客戶需求的能力。例如，如果太陽能電池的配置發(fā)生變化，就需要更換電池充電IC.如果儲(chǔ)能技術(shù)或配置發(fā)生變化，就很可能需要同時(shí)更換電池充電IC和LED驅(qū)動(dòng)器IC.最后，如果LED的類型或配置發(fā)生變化，就需要重新配置LED驅(qū)動(dòng)器IC.考慮到這些技術(shù)的革新速度，唯有靈活性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才能更快地響應(yīng)不斷變化的需求。單片機(jī)的使用將能增強(qiáng)系統(tǒng)以致整個(gè)解決方案的靈活性。此時(shí)，如果硬件變化大，將并不需要重新進(jìn)行大量的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，因?yàn)榇蟛糠值淖兓寄軌蛟趩纹瑱C(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

第二個(gè)缺點(diǎn)體現(xiàn)在系統(tǒng)優(yōu)化組件方面。通用的電池充電IC雖然很容易獲得，但卻很難找到包含最大峰值功率跟蹤(MPPT)算法的電池充電IC,以最大程度輸出太陽能電池的電量。離散型解決方案難以跟上技術(shù)革新的步伐。

建議的實(shí)現(xiàn)方案

要突破定制解決方案的限制，可以在系統(tǒng)中引入單片機(jī)，這樣設(shè)計(jì)人員不僅能夠充分利用各核心組件的增強(qiáng)性能，還可重復(fù)使用基本架構(gòu)。圖3給出了建議的實(shí)現(xiàn)方案。

圖3:基于MCU的建議架構(gòu)

圖3所示的實(shí)現(xiàn)方案有三大優(yōu)勢。第一，可方便快速地對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。此解決方案包括以下四個(gè)主要系統(tǒng)：LED、電池、太陽能電池和電力電子器件。如上文所述，應(yīng)對(duì)電池充電曲線加以控制，以提高電池的充電效率并延長其使用壽命。而整體充電效率還與太陽能電池的效率有關(guān)。將MPPT曲線整合到能量轉(zhuǎn)換算法中可以提高太陽能à電能轉(zhuǎn)換的總效率，在實(shí)現(xiàn)充電目標(biāo)的同時(shí)，最終還能減小太陽能電池組的尺寸。

這會(huì)影響產(chǎn)品外形，設(shè)計(jì)人員因此有機(jī)會(huì)增強(qiáng)產(chǎn)品的視覺沖擊力。同樣，目標(biāo)應(yīng)用可能將燈光的質(zhì)量確定為關(guān)鍵特性，如同用于閱讀的應(yīng)用那樣。燈光質(zhì)量取決于電流波形，這或許是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流有嚴(yán)格的容差要求，或許是要求包括調(diào)光功能。采用建議的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)工程師可對(duì)組件效率以致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性及使用壽命的方方面面進(jìn)行優(yōu)化。

第二，該架構(gòu)完全可擴(kuò)展并可支持較寬的功率范圍。用于閱讀照明的便攜式小巧臺(tái)燈可以有一個(gè)太陽能電池、現(xiàn)成的NiMH充電電池以及幾個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為20-75 mA的LED.該設(shè)計(jì)僅需更換一些功率傳輸組件(包括現(xiàn)成的功率MOSFET和變壓器)，便可快速調(diào)整功率額定值，從而滿足商業(yè)和公共安全照明的需求。例如，可增加太陽能電池的數(shù)量，用定制的電池組替代現(xiàn)成的NiMH電池，使用驅(qū)動(dòng)電流為350 mA以上的高光強(qiáng)大電流LED.

第三大優(yōu)勢是平臺(tái)的靈活性，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)核心技術(shù)、用戶需求或用戶行為的變化快速進(jìn)行調(diào)整。例如，可快速采用升級(jí)的太陽能電池或具有特殊驅(qū)動(dòng)要求的新LED,從而加快推出新產(chǎn)品的速度。利用客戶在使用這些產(chǎn)品過程中提出的反饋，還可能催生其他非核心功能的需求，例如通信(如串口轉(zhuǎn)無線接口等)以及預(yù)測性診斷功能。因此，該解決方案不僅能夠根據(jù)變化條件進(jìn)行調(diào)整以及優(yōu)化性能，還能夠告知用戶自身的相對(duì)健康狀況并預(yù)測何時(shí)需要維護(hù)。

結(jié)論

如同大多數(shù)新興技術(shù)那樣，我們并不總是能確定其發(fā)展方向。但兩種新興技術(shù)(如PV太陽能電池和LED)一旦融合基于單片機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器方案的靈活性，就必定能快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用改善，滿足客戶的需求。