《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統(tǒng)
雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第5期
劉慶新, 程樹英
福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院微納器件與太陽能電池研究所,福建 福州350108
摘要: 利用新型能源,把太陽能和高效節(jié)能的LED路燈有機(jī)地結(jié)合在一起,開發(fā)出一款基于STC12C5410AD單片機(jī)的雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統(tǒng)。前級(jí)基于IR2104的同步Buck電路實(shí)現(xiàn)最大功率充電,后級(jí)采用同步Buck實(shí)現(xiàn)LED燈恒流驅(qū)動(dòng)。該控制器具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),DC-DC轉(zhuǎn)換效率高,最大功率點(diǎn)跟蹤充電和浮充充電共同作用,具有防過充、防過放、防雷等保護(hù)功能,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無人值守工作。
中圖分類號(hào): TK513
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)05-0142-04
A dual-Buck solar LED street lamp lighting system
Liu Qingxin, Cheng Shuying
Institute of Micro-Nano Devices & Solar Cells, School of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China
Abstract: By using the new energy, and combining solar energy and LED lights, a dual-Buck solar LED street lamp lighting system based on STC12C5410AD MCU is developed. The former stage adopts synchronous Buck circuit based on IR2104 for maximum power point charge, the latter stage uses synchronous Buck to achieve LED light’s constant current drive. The controller has strong driver capability, higher DC-DC conversion efficiency, the maximum power point tracking charging and float charging joint action. It can prevent overcharge and overdischarge, and it have thunder protection. In addition, the system can work without human being watching.
Key words : solar energy; synchronous Buck; IR2104; MPPT


    太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的無污染的潔凈能源,已被公認(rèn)為未來解決能源危機(jī)的最有效能源。LED燈具有壽命長、高效節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。因此,把太陽能與LED路燈有機(jī)地結(jié)合在一起,開發(fā)出太陽能LED燈照明控制器非常重要。目前市場(chǎng)上很多太陽能控制器,都是采用直充方式充電,沒有對(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) [1]。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)上一些太陽能控制器的缺陷,是一種性價(jià)較高的產(chǎn)品。
1 系統(tǒng)原理
    雙Buck太陽能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。太陽能電池組件為系統(tǒng)提供能源,通過采集太陽能電池板上的電壓來判別是白天、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智能控制器通過所采集的太陽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,防止蓄電池過充、過放;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[2-3]。

 
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 充電控制
2.1.1 Buck電路

    太陽能最大功率點(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^對(duì)四種電路方案的比較,本文選用Buck電路。
    為追蹤太陽能最大功率點(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)立電源來隔離光耦兩邊的地;使用IR2110高壓自舉芯片做驅(qū)動(dòng)[4],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。

 

 

    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)未開啟工作時(shí),/SD置零,防止開關(guān)管誤操作損害開關(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。采集上來的數(shù)據(jù)通過射隨跟隨器跟隨,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,高壓脈沖通過壓敏電阻到地,把能量通過大地流走。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到太陽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,通過檢測(cè)采集上來的電流信號(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。

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)采集太陽能電池板和蓄電池兩端電壓,當(dāng)檢測(cè)到太陽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[5-6]。(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,可以保證過充和過放保護(hù),防止蓄電池?fù)p害,實(shí)現(xiàn)無人值守工作。


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。

    后級(jí)同步Buck電路中雙MOS管Q3、Q4的驅(qū)動(dòng)波形如圖6所示。通過調(diào)節(jié)占空比可以調(diào)節(jié)LED的功率。為了合理利用蓄電池中的能量,LED驅(qū)動(dòng)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式,全功率為控制PWM波實(shí)現(xiàn)2 A恒流輸出,半功率控制PWM波實(shí)現(xiàn)1 A恒流LED驅(qū)動(dòng),通過軟件調(diào)節(jié)各個(gè)時(shí)刻的輸出功率。對(duì)基于IR2104的同步Buck電路LED驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn):當(dāng)工作頻率為20 kHz、輸出占空比為90%的PWM波時(shí),蓄電池電壓為11.94 V,放電電流為1.777 A,LED兩端電壓為10.199 V,LED燈供電電流為1.977 A,效率高達(dá)95.03%。因此可以看出,這是LED恒流驅(qū)動(dòng)的一種可行性方案。

    本文研制的基于STC12C5410AD的雙Buck太陽能照明控制器,可實(shí)時(shí)采集太陽能電池板電壓,能夠正常準(zhǔn)確地檢測(cè)出白天、黑夜,利用自舉芯片IR2104實(shí)現(xiàn)同步Buck,采用最大功率點(diǎn)和浮充兩種方式對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,并對(duì)蓄電池進(jìn)行管理,以防止過充和過放,LED路燈恒流輸出,系統(tǒng)已經(jīng)正常工作了2個(gè)月。雖然防反充二極管選用的是肖特基二極管,但是,損耗還是比較大的。今后將采取一些措施減小防反充二極管的損耗,進(jìn)一步提高充電效率。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳尚伍. 獨(dú)立光伏發(fā)電LED照明系統(tǒng)的研究[D]. 杭州:浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,2007.
[2] 楊曉光,寇臣銳,汪友華. 太陽能LED路燈照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電氣應(yīng)用,2009,28(3):28-31.
[3] 彭芳,盧滿懷. 基于PIC單片機(jī)的太陽能路燈智能控制器[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用,2009(20):67-70.
[4] 馬瑞卿,劉衛(wèi)國. 自舉式IR2110集成驅(qū)動(dòng)電路的特殊應(yīng)用[J]. 電力電子技術(shù),2000(1):31-33.
[5] SALAS V, OLIAS E, BARRADO A, et al. Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells, 2006(90):1555-1578.
[6] HUA C, LIN J. An on-line MPPT algorithm for rapidly changing illuminations of solar arrays[J]. Renewable Energy, 2003(28):1129-1142.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。