雙Buck太陽(yáng)能LED路燈照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的無(wú)污染的潔凈能源，已被公認(rèn)為未來(lái)解決能源危機(jī)的最有效能源。LED燈具有壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。因此，把太陽(yáng)能與LED路燈有機(jī)地結(jié)合在一起，開(kāi)發(fā)出太陽(yáng)能LED燈照明控制器非常重要。目前市場(chǎng)上很多太陽(yáng)能控制器，都是采用直充方式充電，沒(méi)有對(duì)蓄電池進(jìn)行管理控制，導(dǎo)致能源利用率不高，可靠性不強(qiáng)。本文所設(shè)計(jì)的基于STC12C5410AD的雙Buck照明控制器，采用最大功率點(diǎn)充電，充分利用太陽(yáng)能電池板的能量，對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充充電，防止蓄電池假充滿(mǎn)的現(xiàn)象；對(duì)LED路燈采用二段式的恒流控制，以增強(qiáng)LED燈的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了一種環(huán)保節(jié)能的照明模式，解決了市場(chǎng)上一些太陽(yáng)能控制器的缺陷，是一種性?xún)r(jià)較高的產(chǎn)品。

　　1 系統(tǒng)原理

　　雙Buck太陽(yáng)能LED路燈照明控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)包括：太陽(yáng)能電池、電壓電流采集模塊、同步Buck模塊、蓄電池、LED路燈和STC智能控制器。太陽(yáng)能電池組件為系統(tǒng)提供能源，通過(guò)采集太陽(yáng)能電池板上的電壓來(lái)判別是白天、黑夜，當(dāng)檢測(cè)電池板的電壓高于一定值時(shí)，進(jìn)入白天模式，此時(shí)：STC智能控制器通過(guò)所采集的太陽(yáng)能電池板兩端的電壓和充電電流，控制同步Buck工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的MPPT（Maximum Power Point Tracking）充電，當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到一定值時(shí)，進(jìn)入浮充充電模式，實(shí)時(shí)采集蓄電池兩端的電壓，防止蓄電池過(guò)充、過(guò)放；當(dāng)檢測(cè)電池板的電壓小于一定值時(shí)，進(jìn)入黑夜模式，此時(shí)：打開(kāi)并控制后級(jí)同步Buck電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED路燈的恒流控制。

圖1 系統(tǒng)原理圖

　　本文研制的路燈照明控制系統(tǒng)主要應(yīng)用場(chǎng)合是針對(duì)戶(hù)外或者景觀區(qū)地帶。燈具選用單個(gè)1 W 的LED，6個(gè)并聯(lián)、3 個(gè)串聯(lián)組成一個(gè)18 W 的LED 路燈， 日工作10 個(gè)小時(shí)， 前5 個(gè)小時(shí)全功率（P 全=18 W） 工作， 后5 個(gè)小時(shí)半功率（P半=9W） 工作。福州地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)為t 峰=3.458 887 8 h （ 本系統(tǒng)選用3.5 h） ， 假設(shè)路燈系統(tǒng)需要保持的連續(xù)陰雨天數(shù)d 為7 天， 兩個(gè)連續(xù)陰雨天之間的間隔數(shù)d 間為7 天， 蓄電池放電效率η 放為90%， 蓄電池放電深度D 為0.75， 這時(shí)蓄電池的容量W蓄為：

　　W蓄=（t 全×P 全+t 半×P 半）÷η放÷D×d=（5 h×18 W+5 h×9 W）÷90%÷0.75×7=1400 Wh.

　　所以選擇12 V、120 Ah 的鉛酸蓄電池。設(shè)蓄電池充電效率η 充為85%， 則蓄電池單日所需的充電量W1為：

　　W1=（t 全×P 全+t 半×P 半） ÷η 放×（d 間+d）/d 間=（5 h×18 W+5 h×9 W）÷90%×（7+7）/7=300 Wh.

　　設(shè)太陽(yáng)能電池板的峰值功率為W太， 太陽(yáng)能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)為1.1 ， 則：

　　W太×η 充×t 峰=W1×1.1.

　　W太×85%×3.5 h=300 Wh×1.1.

　　得W太=110.9 W， 所以選擇了一塊峰值功率為115 W 的太陽(yáng)能電池板。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 充電控制

　　2.1.1 Buck電路

　　太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤控制所需的DC-DC模塊包括：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk等拓?fù)浞绞剑ㄟ^(guò)對(duì)四種電路方案的比較，本文選用Buck電路。

　　為追蹤太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大能量利用，前級(jí)的DC-DC電路曾采用四種Buck驅(qū)動(dòng)方案：利用PMOS做Buck;獨(dú)立電源加光耦；基于IR2110的Buck電路；基于IR2104的同步Buck電路。對(duì)四種驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了比較分析：PMOS由于導(dǎo)通阻抗較大，PMOS發(fā)熱嚴(yán)重，工作效率低，只適用于電壓值比較低、工作效率要求不高的場(chǎng)合；獨(dú)立電源加光耦，需要制作一個(gè)獨(dú)立電源來(lái)隔離光耦兩邊的地；使用IR2110高壓自舉芯片做驅(qū)動(dòng)，必須嚴(yán)格遵守工作所需的條件，需加電阻放掉Buck后級(jí)儲(chǔ)能濾波電容中的電，才能正常啟動(dòng)；基于IR2110的Buck電路，防反充二極管須加在Buck電路輸出端，在電流比較小的情況下，工作尚可；當(dāng)電流較大時(shí)，Buck電路中續(xù)流二極管的消耗就會(huì)增加。為了減小續(xù)流二極管的損耗，最后選擇了基于IR2104的同步Buck電路，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 基于IR2104的同步Buck太陽(yáng)能充電電路

　　IR2104芯片內(nèi)部已經(jīng)接有下拉電阻到地，其控制端/SD，當(dāng)系統(tǒng)未開(kāi)啟工作時(shí)，/SD置零，防止開(kāi)關(guān)管誤操作損害開(kāi)關(guān)管和芯片；當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，/SD置1，使能IR2104.IN是PWM信號(hào)輸入端，LO是低端MOS管驅(qū)動(dòng)輸出，HO是高端MOS管驅(qū)動(dòng)輸出。IR2104高端利用自舉電路的原理提供高壓懸浮驅(qū)動(dòng)，VCC由12 V鉛酸蓄電池直接提供，通過(guò)自舉二極管和自舉電容，周期性地充放電，達(dá)到自舉的目的。IR2104最大工作電壓可達(dá)到600 V，死區(qū)時(shí)間為520 ns，是同步Buck電路MOS管驅(qū)動(dòng)的一種可行性方案，能大大提高DC-DC轉(zhuǎn)換效率。采用同步Buck電路，在后級(jí)接一個(gè)防倒灌二極管給蓄電池充電，其工作良好。

　　2.1.2 電流、電壓采集電路

　　太陽(yáng)能充電電流采集采用0.03 Ω的采樣電阻進(jìn)行采樣，并選取MAX4080TASA芯片進(jìn)行電壓放大，放大倍數(shù)為20倍，可檢測(cè)到的最大電流達(dá)到8.3 A.電壓采集采用電阻分壓降壓的采集方法。模數(shù)地加磁珠分離，以減小模擬地對(duì)系統(tǒng)的干擾。采集上來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)射隨跟隨器跟隨，以提高所采集數(shù)據(jù)的精確度。

　　2.1.3 防雷電路

　　采用雙層防雷保護(hù)措施，選取壓敏電阻接大地和控制前級(jí)Buck電路使能端共同作用。當(dāng)沒(méi)有雷電時(shí)，壓敏電阻阻值比較大；當(dāng)有雷電時(shí)，壓敏電阻阻值變小，高壓脈沖通過(guò)壓敏電阻到地，把能量通過(guò)大地流走。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到太陽(yáng)電池板的電壓降到一定值時(shí)，就把IR2104的控制端置零，使Buck停止工作，保護(hù)后級(jí)電路不受雷電的影響。

　　2.2 放電控制

　　LED路燈的驅(qū)動(dòng)同樣采用同步Buck電路，其驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3所示，通過(guò)檢測(cè)采集上來(lái)的電流信號(hào)，STC單片機(jī)控制PWM信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)恒流控制。采用同步Buck轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)95%，容易實(shí)現(xiàn)全功率、半功率及各個(gè)功率的輸出控制。負(fù)載LED的電流采集采用MAX4080TASA，數(shù)字地和模擬地通過(guò)磁珠隔離，盡量減小地的干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)較好地恒流控制。

圖3 LED同步Buck電路

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。STC12C5410AD單片機(jī)內(nèi)部集成4路PWM發(fā)生器和8路10 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，可直接實(shí)現(xiàn)PWM輸出和A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)能電池板和蓄電池兩端電壓，當(dāng)檢測(cè)到太陽(yáng)能電池板的電壓大于6 V（6 V是設(shè)定的白天標(biāo)志值）時(shí)，延時(shí)3 min，在3 min內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池板電壓，若3 min后電池板電壓仍大于6 V，則進(jìn)入充電模式：（1）關(guān)閉路燈，采集蓄電池電壓，當(dāng)蓄電池兩端的電壓小于14.7 V時(shí)，使能前級(jí)Buck電路控制端，采集電壓電流信號(hào)，控制單片機(jī)調(diào)制PWM輸出，采用雙向擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)充電。（2）當(dāng)采集的電流小于0.2 A時(shí)，進(jìn)入固定電壓法充電模式，把太陽(yáng)能電池板的電壓輸出穩(wěn)在28 V~32 V之間（選擇端電壓為40 V的太陽(yáng)能板）；（3）當(dāng)蓄電池電壓上升到14.7 V時(shí)，轉(zhuǎn)為浮充充電模式，蓄電池浮充電壓設(shè)為13.6 V~13.8 V.當(dāng)電池板的電壓降到6 V時(shí)，置零前級(jí)的Buck電路控制端延時(shí)3 min，3 min內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池板電壓。如果3 min后采集上來(lái)的電壓值還是小于6 V，則進(jìn)入放電模式：使能后級(jí)Buck電路控制端，這時(shí)路燈點(diǎn)亮，全功率放電，延時(shí)5個(gè)小時(shí)后進(jìn)入半功率放電模式，系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)天亮，天亮或延時(shí)5個(gè)小時(shí)結(jié)束，則路燈關(guān)閉。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集蓄電池電壓，可以保證過(guò)充和過(guò)放保護(hù)，防止蓄電池?fù)p害，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守工作。

圖4 軟件流程圖

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　系統(tǒng)前級(jí)同步Buck電路雙MOS管的驅(qū)動(dòng)波形如圖5所示。由圖可以看出，采用IR2104做同步驅(qū)動(dòng)的波形效果還是較好的，添加電阻限流和二極管加速M(fèi)OS管結(jié)電容的放電，進(jìn)一步降低了開(kāi)關(guān)損耗，提高了效率。A為Q1管驅(qū)動(dòng)波形圖，B為Q2管驅(qū)動(dòng)波形圖，由于示波器的兩個(gè)探頭內(nèi)部是相連的，所以圖中A和B波形圖都是相對(duì)于模擬地的。從圖中可以看出，兩種MOS管的驅(qū)動(dòng)波形能得到很好的互補(bǔ)，能較好地控制同步Buck工作，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。