双Buck太阳能LED路灯照明控制系统设计方案

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照明控制器电感生产，采用最大功率点充电，充分利用太阳能电池板的能量，对蓄电电感器市场池进行浮充充电，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 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：大电流电感

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 W+5 h×9 W)÷90%×(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：

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

扁平型电感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共模电感器.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。

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