双Buck太阳能LED路灯照明控制系统设计

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 PowerPoint 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 η 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 P 全 t 半 P 半 ） η 放 D d （ 5 h 18 W5 h 9 W ） 90 0.75 71400Wh.所以选择 12 V、 120 Ah 的铅酸蓄电池。设蓄电池充电效率 η 充为 85, 则蓄电池单日所需的充电量 W1 为W1 （ t 全 P 全 t 半 P 半 ） η 放 （ d 间 d ） /d 间 （ 5 h 18 W5 h 9 W） 90 （ 77 ） /7300 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W 太 η 充 t 峰 W1 1.1.W 太 85 3.5 h300 Wh 1.1.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 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 600V,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 Ω 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 路灯的驱动同样采用同步 Buck 电路，其驱动控制电路如图 3所示，通过检测采集上来的电流信号， STC 单片机控制 PWM 信号输出，实现恒流控制。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。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，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。