隨著化石類能源的日益減少,，以及溫室氣體的過(guò)度排放導(dǎo)致全球變暖問題越來(lái)越受到重視,，人們一方面在積極開發(fā)各類可再生新能源,，另一方面也在倡導(dǎo)節(jié)能減排的綠色環(huán)保技術(shù)。太陽(yáng)能作為取之不盡,、用之不竭的清潔能源,，成為眾多可再生能源的重要代表；而在照明領(lǐng)域,，壽命長(zhǎng)、節(jié)能,、安全,、綠色環(huán)保、色彩豐富,、微型化的LED固態(tài)照明也已被公認(rèn)為世界一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑,。太陽(yáng)能-LED街燈同時(shí)整合了這兩者的優(yōu)勢(shì)，利用清潔能源以及高效率的LED實(shí)現(xiàn)綠色照明,。
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,。
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,。
圖2： 控制器結(jié)構(gòu)方框圖
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。
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)。
控制器主要功能
控制器的主要功能包括兩個(gè)方面：蓄電池充電以及蓄電池給LED供電,。
1.蓄電池充電
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境光充足，控制器就會(huì)進(jìn)入充電模式,。蓄電池充電有兩個(gè)比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充充電電壓,。前者代表在正常使用情況下蓄電池電能被用完的狀態(tài)，而后者則代表蓄電池充電的最高限制電壓,，這些參數(shù)應(yīng)該從蓄電池產(chǎn)品手冊(cè)上可以查到,。在設(shè)計(jì)電路中針對(duì)12V蓄電池,，分別設(shè)置深度放電電壓為11V和浮充充電電壓為13.8V（皆為在室溫條件下的電壓值，軟件中這兩個(gè)值增加了相應(yīng)的溫度補(bǔ)償）,，具體充電模式如表2所示,。
從表2中可以看到涓流充電模式和恒流充電模式會(huì)用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實(shí)現(xiàn),，業(yè)界有不少的論文對(duì)此進(jìn)行了探討,，總的來(lái)說(shuō)各有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)電路中采用相對(duì)簡(jiǎn)單的擾動(dòng)觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)（Perturbance and Observation）,。這個(gè)控制方法的基本思想是通過(guò)增大或者減少充電電路開關(guān)信號(hào)PWMCHG占空比,，然后觀察輸出功率是變大還是變小，以此來(lái)決定下一步是增大還是減少占空比,。由于太陽(yáng)能板的輸出變化相對(duì)比較緩慢,，而且是單極點(diǎn)，所以這種方式還是能收到比較好的效果,。
2.蓄電池放電
當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到周圍環(huán)境光線不足時(shí),，就會(huì)進(jìn)入蓄電池給LED供電模式。LED電流通過(guò)高位電流檢測(cè)芯片（TSC101AILT）采樣送回MCU,，由MCU通過(guò)調(diào)整開關(guān)信號(hào)PWMDRV占空比來(lái)獲得恒定輸出電流,。為了達(dá)到節(jié)能的目的，LED的恒定電流值會(huì)根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)的環(huán)境光強(qiáng)度來(lái)調(diào)整：當(dāng)環(huán)境光由亮變暗時(shí),，系統(tǒng)的輸出電流也會(huì)相應(yīng)從小到大,；當(dāng)環(huán)境光完全暗下來(lái)時(shí)，系統(tǒng)的輸出電流也達(dá)到預(yù)設(shè)的最大值,。除了由環(huán)境光控制LED的輸出,，用戶還可以通過(guò)設(shè)定開關(guān)DIPl~4的狀態(tài)來(lái)開啟時(shí)間控制功能，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)DIP1~4的設(shè)定組合來(lái)控制LED從亮5分鐘到12小時(shí)不等,。
此外,，為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)電路添加了針對(duì)太陽(yáng)能電池板,、蓄電池和LED等一系列軟硬件的保護(hù)功能,。而基于此系統(tǒng)平臺(tái)，還可以從添加智能發(fā)光二極管工作模式,、增加通訊模塊和采用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)三方面進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能,。
本文結(jié)論
太陽(yáng)能-LED路燈不僅能利用清潔免費(fèi)的太陽(yáng)能以及高效環(huán)保的LED給道路帶來(lái)照明，而且同時(shí)可以減少溫室氣體排放,，實(shí)現(xiàn)綠色照明的目的,。本街燈系統(tǒng)已經(jīng)在意法半導(dǎo)體大樓入口處成功實(shí)施，所有街燈系統(tǒng)都已運(yùn)行半年,，工作情況正常,。隨著太陽(yáng)能板的價(jià)格進(jìn)一步降低和LED性價(jià)比的提高,，相信這個(gè)系統(tǒng)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。