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1、双Buck太阳能LED路灯照明控制系统设计方案摘要：利用新型能源，把太阳能和高效节能的LED路灯有机地结合在一起，开发 出一款基于STC12C5410AD单片机的双Buck太阳能LED路灯照明控制系统。前级基于 IR2104的同步Buck电路实现最大功率充电，后级采用同步Buck实现LED灯恒流驱动。 该控制器具有驱动能力强，DC-DC转换效率高，最大功率点跟踪充电和浮充充电共同作用， 具有防过充、防过放、防雷等保护功能，同时可以实现无人值守工作。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的无污染的洁净能源，已被公认为未来解决能源危 机的最有效能源。LED灯具有寿命长、高效节能、环保等优势。因此，把太阳
2、能与LED路 灯有机地结合在一起，开发出太阳能LED灯照明控制器非常重要。目前市场上很多太阳能 控制器，都是采用直充方式充电，没有对蓄电池进行管理控制，导致能源利用率不高，可靠 性不强。本文所设计的基于STC12C5410AD的双Buck照明控制器，采用最大功率点充电， 充分利用太阳能电池板的能量，对蓄电池进行浮充充电，防止蓄电池假充满的现象；对LED 路灯采用二段式的恒流控制，以增强LED灯的使用寿命，实现了一种环保节能的照明模式， 解决了市场上一些太阳能控制器的缺陷，是一种性价较高的产品。1系统原理双Buck太阳能LED路灯照明控制系统原理图如图1所示。系统包括：太阳能电池、 电压电流采集
3、模块、同步Buck模块、蓄电池、LED路灯和STC智能控制器。太阳能电池 组件为系统提供能源，通过采集太阳能电池板上的电压来判别是白天、黑夜，当检测电池板 的电压高于一定值时，进入白天模式，此时：STC智能控制器通过所采集的太阳能电池板 两端的电压和充电电流，控制同步Buck工作，实现对蓄电池的MPPT(Maximum Power Point Tracking)充电，当蓄电池的电压达到一定值时，进入浮充充电模式，实时采集蓄电池两端 的电压，防止蓄电池过充、过放；当检测电池板的电压小于一定值时，进入黑夜模式，此时： 打开并控制后级同步Buck电路，实现对LED路灯的恒流控制。图1系统原理图本文研
4、制的路灯照明控制系统主要应用场合是针对户外或者景观区地带。灯具选用单个 1 W的LED，6个并联、3个串联组成一个18 W的LED路灯，日工作10个小时，前 5个小时全功率（P全=18 W）工作，后5个小时半功率（P半=9W）工作。福州地区 峰值日照时数为t峰=3.458 887 8 h （本系统选用3.5 h），假设路灯系统需要保持的连 续阴雨天数d为7天，两个连续阴雨天之间的间隔数d间为7天，蓄电池放电效率n放 为90%，蓄电池放电深度D为0.75，这时蓄电池的容量W蓄为：W 蓄=（t 全XP 全+t 半XP 半）：n 放DXd= （5 hX18 W+5 hX9 W） ：90%：0.75
5、X 7=1400 Wh.所以选择12 V、120 Ah的铅酸蓄电池。设蓄电池充电效率1充为85%，则蓄电池单 日所需的充电量W1为：W1= （t 全XP 全+t 半XP 半）：n 放X（d 间+d） /d 间=（5 hX18 W+5 hX9 W） ：90%X（7+7） /7=300 Wh.设太阳能电池板的峰值功率为W太，太阳能电池组件系统综合损失系数为1.1，则0：w太Xn 充Xt 峰=W1X1.1.W 太X85%X3.5 h=300 WhX1.1.得W太=110.9 W，所以选择了一块峰值功率为115 W的太阳能电池板。2系统硬件设计2.1充电控制2.1.1 Buck 电路太阳能最大功率点跟
6、踪控制所需的DC-DC模块包括：Buck、Boost、Boost-Buck. Cuk 等拓扑方式，通过对四种电路方案的比较，本文选用Buck电路。为追踪太阳能最大功率点实现最大能量利用，前级的DC-DC电路曾采用四种Buck驱 动方案：利用PMOS做Buck;独立电源加光耦；基于IR2110的Buck电路；基于IR2104的 同步Buck电路。对四种驱动方案进行了比较分析：PMOS由于导通阻抗较大，PMOS发热 严重，工作效率低，只适用于电压值比较低、工作效率要求不高的场合；独立电源加光耦， 需要制作一个独立电源来隔离光耦两边的地；使用IR2110高压自举芯片做驱动，必须严格 遵守工作所需的条
7、件，需加电阻放掉Buck后级储能滤波电容中的电，才能正常启动；基于 IR2110的Buck电路，防反充二极管须加在Buck电路输出端，在电流比较小的情况下，工 作尚可；当电流较大时，Buck电路中续流二极管的消耗就会增加。为了减小续流二极管的 损耗，最后选择了基于IR2104的同步Buck电路，其电路原理图如图2所示。图2基于IR2104的同步Buck太阳能充电电路IR2104芯片内部已经接有下拉电阻到地，其控制端/SD,当系统未开启工作时，/SD置 零，防止开关管误操作损害开关管和芯片；当系统正常工作时，/SD置1，使能IR2104.IN 是PWM信号输入端，LO是低端MOS管驱动输出，HO
8、是高端MOS管驱动输出。IR2104 高端利用自举电路的原理提供高压悬浮驱动，VCC由12 V铅酸蓄电池直接提供，通过自举 二极管和自举电容，周期性地充放电，达到自举的目的。IR2104最大工作电压可达到600 V， 死区时间为520 ns，是同步Buck电路MOS管驱动的一种可行性方案，能大大提高DC-DC 转换效率。采用同步Buck电路，在后级接一个防倒灌二极管给蓄电池充电，其工作良好。2.1.2电流、电压采集电路太阳能充电电流采集采用0.03 Q的采样电阻进行采样，并选取MAX4080TASA芯片进 行电压放大，放大倍数为20倍，可检测到的最大电流达到8.3 A.电压采集采用电阻分压降
9、压的采集方法。模数地加磁珠分离，以减小模拟地对系统的干扰。采集上来的数据通过射随 跟随器跟随，以提高所采集数据的精确度。2.1.3防雷电路采用双层防雷保护措施，选取压敏电阻接大地和控制前级Buck电路使能端共同作用。 当没有雷电时，压敏电阻阻值比较大；当有雷电时，压敏电阻阻值变小，高压脉冲通过压敏 电阻到地，把能量通过大地流走。当系统检测到太阳电池板的电压降到一定值时，就把 IR2104的控制端置零，使Buck停止工作，保护后级电路不受雷电的影响。2.2放电控制LED路灯的驱动同样米用同步Buck电路，其驱动控制电路如图3所示，通过检测米集 上来的电流信号，STC单片机控制PWM信号输出，实现
10、恒流控制。采用同步Buck转换效 率可高达95%，容易实现全功率、半功率及各个功率的输出控制。负载LED的电流采集采 用MAX4080TASA，数字地和模拟地通过磁珠隔离，尽量减小地的干扰，能够实现较好地 恒流控制。D65 l_UAD+12CIRS +RS-V(xNCNCNCGNDOUT7EQs图3 LED同步Buck电路3系统软件设计系统软件流程图如图4所示。STC12C5410AD单片机内部集成4路PWM发生器和8 路10 bit的A/D转换器，可直接实现PWM输出和A/D转换。系统实时采集太阳能电池板 和蓄电池两端电压，当检测到太阳能电池板的电压大于6 V （6 V是设定的白天标志值）时
11、， 延时3 min，在3 min内实时监测电池板电压，若3 min后电池板电压仍大于6 V，则进入充 电模式：（1）关闭路灯，采集蓄电池电压，当蓄电池两端的电压小于14.7 V时，使能前级 Buck电路控制端，采集电压电流信号，控制单片机调制PWM输出，采用双向扰动法实现 最大功率点充电。（2）当采集的电流小于0.2 A时，进入固定电压法充电模式，把太阳能电 池板的电压输出稳在28 V32 V之间（选择端电压为40 V的太阳能板）；（3）当蓄电池电压 上升到14.7 V时，转为浮充充电模式，蓄电池浮充电压设为13.6 V13.8 V.当电池板的电压 降到6 V时，置零前级的Buck电路控制端延
12、时3 min，3 min内实时监测电池板电压。如果 3 min后采集上来的电压值还是小于6 V，则进入放电模式：使能后级Buck电路控制端，这 时路灯点亮，全功率放电，延时5个小时后进入半功率放电模式，系统时刻监测天亮，天亮 或延时5个小时结束，则路灯关闭。系统实时采集蓄电池电压，可以保证过充和过放保护， 防止蓄电池损害，实现无人值守工作。图4软件流程图4实验结果系统前级同步Buck电路双MOS管的驱动波形如图5所示。由图可以看出，采用IR2104 做同步驱动的波形效果还是较好的，添加电阻限流和二极管加速MOS管结电容的放电，进 一步降低了开关损耗，提高了效率。A为Q1管驱动波形图，B为Q2管
13、驱动波形图，由于 示波器的两个探头内部是相连的，所以图中A和B波形图都是相对于模拟地的。从图中可 以看出，两种MOS管的驱动波形能得到很好的互补，能较好地控制同步Buck工作，实现 最大功率点跟踪。图5前级同步Buck驱动波形后级同步Buck电路中双MOS管Q3、Q4的驱动波形如图6所示。通过调节占空比可 以调节LED的功率。为了合理利用蓄电池中的能量，LED驱动采用恒流驱动方式，全功率 为控制PWM波实现2 A恒流输出，半功率控制PWM波实现1 A恒流LED驱动，通过软 件调节各个时刻的输出功率。对基于IR2104的同步Buck电路LED驱动方案进行测试发现: 当工作频率为20 kHz、输出
14、占空比为90%的PWM波时，蓄电池电压为11.94 V，放电电流 为1.777 A，LED两端电压为10.199 V，LED灯供电电流为1.977 A，效率高达95.03%.因此 可以看出，这是LED恒流驱动的一种可行性方案。图6后级同步Buck驱动波形本文研制的基于STC12C5410AD的双Buck太阳能照明控制器，可实时采集太阳能电 池板电压，能够正常准确地检测出白天、黑夜，利用自举芯片IR2104实现同步Buck，采用 最大功率点和浮充两种方式对蓄电池进行充电，并对蓄电池进行管理，以防止过充和过放， LED路灯恒流输出，系统已经正常工作了 2个月。虽然防反充二极管选用的是肖特基二极 管，但是，损耗还是比较大的。今后将采取一些措施减小防反充二极管的损耗，进一步提高 充电效率。
