李余興，馬建倉，葉 祥

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著現(xiàn)代化發(fā)展的要求，能源的緊缺，污染的嚴(yán)重等綜合影響，節(jié)能環(huán)保智能化的太陽能照明設(shè)備得到了很快的發(fā)展，并且有著非常好的市場需求前景。在太陽能利用方面，美國、歐洲以及日本起步最早，并且現(xiàn)階段整體光伏發(fā)電系統(tǒng)以及太陽能利用方面也較為完善。由于擁有先進(jìn)的光伏發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，加之完整的體系架構(gòu)，太陽能LED路燈發(fā)展非常迅速，并且在很多城市地區(qū)已經(jīng)大規(guī)模投入使用。國內(nèi)方面，近幾十年來太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在燈具照明領(lǐng)域得到不斷發(fā)展，伴隨著LED市場的火熱，太陽能LED照明設(shè)施也得到了很多利用，但是這些往往集中在高尖端領(lǐng)域或是利用在非常重要的場合，還沒有遍及到普通的市政路燈照明。太陽能LED路燈以太陽為能源，其無需復(fù)雜昂貴的管線鋪設(shè)，可任意調(diào)節(jié)燈具的布局，具有安全節(jié)能環(huán)保便捷等很多優(yōu)點(diǎn)。并且以大功率LED作為負(fù)載照明，LED燈相比較白熾燈以及節(jié)能燈，其發(fā)光效率高、耗電量小、安全環(huán)?？煽啃詮?qiáng)。

1 太陽能LED路燈總體設(shè)計(jì)

太陽能路燈由太陽能電池板、蓄電池及充電電路、LED燈具及LED驅(qū)動(dòng)電路、控制器、光照和聲音檢測電路及手持控制器組成，如圖1所示。白天太陽能電池給蓄電池充電，夜晚蓄電池自動(dòng)供電照明。采用大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片，配合基本電路提供穩(wěn)定安全的恒流電源，維持LED燈的長壽命工作；配合主控制器產(chǎn)生的PWM信號，實(shí)現(xiàn)對LED照明的光強(qiáng)控制。光控、聲控電路可以根據(jù)不同外界條件控制照明?？梢酝ㄟ^手持遙控器控制路燈，并且能夠獲取路燈狀態(tài)信息，完成故障檢測。通過判斷蓄電池的充電狀態(tài)，自動(dòng)采用相應(yīng)的充電方式進(jìn)行充電，過溫保護(hù)電路可延長蓄電池使用壽命。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of system

選擇12個(gè)1 W白光LED作為光源，其額定光通量為100 lm，路燈光通量達(dá)1 200 lm，相當(dāng)于120 W白熾燈，可以滿足小型街道照明。以西安地區(qū)為例，峰值日照為3.5小時(shí)，平均每天照明時(shí)間7小時(shí)，連續(xù)陰雨天最長7天，可選用12 V 50 AH的蓄電池。根據(jù)太陽能電池組件綜合損失系數(shù)及蓄電池充電效率，采用60 Wp的太陽能電池板。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制器

采用美國Silicon Labs公司推出的Si1000芯片作為控制器，集成了超低功耗MCU及高穿透力的RF芯片。Si1000系列無線微控制器內(nèi)部集成了25 MHz的8051內(nèi)核，EZRadioPRO系列略低于1 GHz的RF收發(fā)器件，最大64 kB的Flash以及最高12 bit分辨率的ADC，所有這些均集成在一個(gè)5 mm×7 mm的緊湊的封裝中。Si1000系列無線微控制器為用戶提供領(lǐng)先的RF性能，包括最高的發(fā)射功率，最高的接收靈敏度和最高20 dBm的發(fā)射功率和－121 dBm的靈敏度，使系統(tǒng)擁有了高達(dá)141 dB的鏈路預(yù)算。文中無線遙控RF頻率為433 MHz。單片機(jī)的P1.6與P1.7分別與LT3652的CHRG和FAULT引腳相連，用于檢測蓄電池的充電狀態(tài)。P1.5與LT3756的PWM引腳相連，可以產(chǎn)生不同占空比的PWM信號，驅(qū)動(dòng)LED照明及調(diào)光。P2.0與P2.1分別與光照強(qiáng)度及聲音檢測模塊輸出端連接，實(shí)現(xiàn)對LED燈的自動(dòng)控制。

2.2 充電電路

采用LT3652充電芯片，其輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路電路提供幾乎與最大峰值功率跟蹤（MPPT）充電方法同樣的充電效率，如圖2所示。太陽能板輸出電壓隨太陽光的強(qiáng)度變化，LT3652可接受4.95～32 V的寬輸入范圍，可以滿足太陽能板的輸出范圍[6]。在輸入電源調(diào)節(jié)欠佳時(shí)，輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路還允許優(yōu)化充電。該器件可為各種配置的電池組充電。LT3652的充電電流可編程高達(dá)2 A?？梢酝ㄟ^對R1的選取來設(shè)置充電電流，文中R1取值0.1 Ω，對應(yīng)充電電流為1 A。這個(gè)獨(dú)立的電池充電器不需要外部微控制器，具有用戶可選的終止，包括C（蓄電池額定容量）/10或內(nèi)置定時(shí)器。本文采用定時(shí)器中止方法，通過對電容C1的取值的完成對中止時(shí)間的設(shè)置。例如選擇1個(gè)0.68 μF的電容可以設(shè)置為3小時(shí)定時(shí)中止。 該器件的1 MHz固定開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)小的解決方案尺寸。浮置電壓反饋準(zhǔn)確度規(guī)定為0.5%，充電電流準(zhǔn)確度為5%，C/10檢測準(zhǔn)確度為±2.5%。一旦充電終止，LT3652就自動(dòng)進(jìn)入低電流備用模式，這種模式將輸入電源電流降至85 μA。在停機(jī)模式，輸入偏置電流降至15 μA。就自主充電控制而言，如果電池電壓降至比設(shè)定的浮置電壓低2.5%，那么自動(dòng)再充電功能就啟動(dòng)一個(gè)新的充電周期。本文對12 V 50 AH的密封鉛酸進(jìn)行3階段充電。第1階段以1 A恒流快速充電到蓄電池電壓達(dá)到14.4 V；第2階段以14.4 V恒壓充電，當(dāng)電流下降到0.1 A時(shí)進(jìn)入第3階段，13.5 V浮充階段；當(dāng)蓄電池電壓低于13.2 V時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入新一輪充電。電路中的R9為一個(gè)熱敏電阻，當(dāng)檢測到蓄電池溫度超出0～45℃范圍時(shí)，芯片將停止充電，可有效保護(hù)蓄電池并延長其使用壽命。

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路

圖2 充電電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of charger circuit

LED驅(qū)動(dòng)電路采用具有高端電流檢測DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3756，該器件為驅(qū)動(dòng)大電流LED而設(shè)計(jì)，如圖3所示。其6～100 V的寬輸入電壓范圍使該器件非常適合于種類繁多的應(yīng)用，包括汽車、工業(yè)和建筑照明。 文中R1、R2、V in和SHDN組成的分壓電路可以將輸入電壓范圍限制在8～80 V，可以滿足12 V蓄電池作為電源。LT3756使用一個(gè)外部N溝道MOSFET，可以用標(biāo)稱值為12 V的輸入驅(qū)動(dòng)多達(dá)20個(gè)1 A的白光LED。文中驅(qū)動(dòng)12×1 W串聯(lián)的大功率白光LED，測得LED兩端電壓34～38 V之間，所以要求C2的耐壓值要高于38 V，這里選用耐壓值為50 V 10 μF的電容。它含有高端電流檢測，從而使它能夠用于升壓、降壓、降壓－升壓、SEPIC（單端初級繞組電感變換器）中。文中采用SEPIC模式，這種電路最大的好處是輸入輸出同極性，尤其適合于電池供電的場合，另外通過主回路上的電容C1實(shí)現(xiàn)輸入輸出的隔離，具備完全關(guān)斷功能，當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，輸出電壓為0 V。LT3756在升壓模式時(shí)可以提供超過90%的效率，從而無需任何外部散熱措施。頻率調(diào)節(jié)引腳允許用戶在100 kHz～1 MHz范圍內(nèi)對頻率編程，本文對R2取值28.7 kΩ將頻率設(shè)置為400 kHz，在優(yōu)化效率的同時(shí)也最大限度地減小了外部組件的尺寸和成本。結(jié)合3 mm×3 mmQFN或耐熱增強(qiáng)型MSOP－16封裝，LT3756提供了一個(gè)非常緊湊的驅(qū)動(dòng)器解決方案。

圖3 LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of LED driver circuit

LT3756采用PWM調(diào)光，以寬達(dá)3 000:1的調(diào)光范圍提供恒定LED色彩。CTRL引腳可用來提供一個(gè)10:1的模擬調(diào)光范圍。其固定頻率、電流模式架構(gòu)確保在寬電源和輸出電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。一個(gè)以地為基準(zhǔn)的電壓FB引腳用作幾種LED保護(hù)功能的輸入，從而使該轉(zhuǎn)換器可以作為一個(gè)恒定電壓源工作。經(jīng)過實(shí)際測試，可以實(shí)現(xiàn)LED照明及調(diào)光功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制軟件程序采用C語言編寫，通過C2接口編程實(shí)現(xiàn)對電路的控制。采用自動(dòng)和遙控兩種控制模式。自動(dòng)控制是根據(jù)不同時(shí)間段結(jié)合光照強(qiáng)度和聲音大小采取相應(yīng)的控制策略。遙控控制模式是通過手持遙控器進(jìn)行控制，當(dāng)檢測到通訊信號時(shí)觸發(fā)中斷進(jìn)入遙控控制模式，讀取緩沖區(qū)中命令并執(zhí)行，直到收到退出遙控模式命令時(shí)退出遙控控制模式，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flow chart of system software

4 結(jié)束語

文中所研制的太陽能LED路燈，采用低功耗耐高溫Si1000無線收發(fā)主控芯片，結(jié)合專用蓄電池充電芯片和LED驅(qū)動(dòng)芯片，滿足了小型化、功耗低、高效率、智能控制的需求。采用新型蓄電池充電芯片，無需單片機(jī)控制，充電效率高。三段式對蓄電池充電，有故障檢測和保護(hù)功能，有利于延長蓄電池使用壽命。利用大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)芯片以及PWM調(diào)光技術(shù)使得整體電路更為簡單，性能更為穩(wěn)定。采用光控、聲控、無線控制相結(jié)合的智能化控制，使得照明設(shè)備更人性化，操控性更強(qiáng)，維護(hù)簡單控制方便。可以逐步取代小型街道照明設(shè)備，具有很大的市場前景和經(jīng)濟(jì)效益，并且能夠很好的響應(yīng)節(jié)能環(huán)保的社會(huì)生活理念。

[1]韓瑜.太陽能路燈應(yīng)用的現(xiàn)狀與分析 [J].科技信息，2011（25）:435-436.HAN Yu.Application and analysis of solar street lamp[J].Science and Technology Information，2011（25）:435-436.

[2]Silabs Wireless Products.Si4010 Datasheet[EB/OL].[2011-10-20].http://www.xhl.com.cn/wire/Si1000.pdf.

[3]單海東.基于Si1000無線微控制器的無線射頻測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電氣時(shí)代，2010（8）：120-122.SHAN Hai-dong.Based on the design of Si1000 radio frequency temperature measurement system of wireless micro controller[J].Electric Age，2010（8）：120-122.

[4]Linear Technology Corporation.LT3652 Datasheet[EB/OL].[2011-11-01].http://www.linear.com.cn/product/LT3652

[5]Linear Technology Corporation.LT3756 Datasheet[EB/OL].[2011-11-01].http://www.linear.com.cn/product/LT3756.

[6]劉陽.基于LT3652的太陽能充電器設(shè)計(jì)方法[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（17）：167-170.LIU Yang.A solar charger design method on LT3652[J].Electronic Design Engineering，2011，19（17）：167-170.