太阳能高亮度LED照明系统的设计

随着高亮度（HB）LED的出现，专为最大化太阳能电池阵列输出而设计的IC的可用性已经引起了对太阳能路灯的日益重视。事实上，太阳能照明一度主要限于偏远地区，现在已成为市政街道照明的主流（它们在白天从太阳光和夜晚的街道照亮）。对于工程师来说，由于Allegro Microsystems，Cree，赛普拉斯半导体，凌力尔特，恩智浦半导体，安森美半导体，意法半导体和德州仪器等制造商提供的太阳能管理和LED驱动IC，高效太阳能LED照明系统的设计变得更加简单。

太阳能照明系统包括太阳能电池板，控制器和光源。 HB LED具有非常适合太阳能应用的性能特性。与传统光源相比，这些器件需要更低的电压，提供更长的寿命，并在照明配置中提供更大的灵活性。

HB LED现在使用更少的能量来生产相同数量的光，制造商正在不断提高其功效。随时可用的设备，如Cree XLamp XM-L LED，能够达到1，000流明，100流明/W的功效。全行业的HB LED正在推动效率超过100流明/瓦，美国能源部的调查显示产量持续快速增长（图1）。

图1：根据美国能源部的预测，预计HB LED效率将迅速增长。

HB-LED驱动器

HB LED在光源中是独一无二的，需要恒定的直流电流而不是恒定的电压。与所有这些设备一样，Cree的HB LED需要恒定电流源，可以明显改变亮度（图2a），甚至颜色（图2b）也可以改变正向电流。

（a）

（b）

图2：在典型的HB LED中，正向电流的相对较小的变化导致亮度（a）和颜色（b）的可察觉的变化。

通常，开关稳压器用于有效调节HB-LED负载的电流。 Allegro Microsystems A6210，安森美半导体NCP3066和TI LM3464/LM3464A等LED驱动开关稳压器专门设计用于为单个LED或多个LED串提供恒定电流输出。

虽然此类器件通常包含片上LED驱动器，但TI LM3464/64A的设计允许工程师使用外部MOSFET和检测电阻来实现更高，更精确的LED电流。对于其四个通道中的每一个，LM3464/64A驱动器级（图3）包括单独的LED电流调节器，包括外部MOSFET，电流检测电阻和片上放大器，用于监视电流检测电阻两端的电压。片上放大器将此电压与200 mV参考电压进行比较，并根据需要修改MOSFET的栅极电压，以维持电流调节。

图3：TI LM3464/64A结合使用内部和外部电路来调节LED驱动电流 - 监控检测电阻两端的电压，根据需要调整外部驱动MOSFET的栅极电压（德州仪器提供）。

赛普拉斯CY8CLED04G01 PowerPSoC将赛普拉斯可编程SoC（PSoC）与片上功率电子器件相结合，为7至32 V范围内的太阳能照明提供单封装解决方案。对于LED驱动，CY8CLED04系列包括多达四个恒流驱动器通道，每个通道可使用内部MOSFET驱动高达1 A的电流。 CY8CLED04G01等独立系列产品支持使用外部MOSFET来支持每通道1 A以上的驱动电流。

太阳能管理

在太阳能照明系统中，电源和充电管理功能对于维持太阳能电池阵列的最佳输出效率和维持电池阵列的正常充电状态至关重要。太阳能输出效率取决于将太阳能电池板维持在其最大功率点的能力。随着负载，照明甚至太阳能电池特性的变化发生，系统必须能够通过最大功率点跟踪（MPPT）将太阳能电池阵列恢复到最大输出。有关更多信息，请参阅TechZone文章“设计高效太阳能电池充电器”。除了具有片上LED驱动器功能外，赛普拉斯CY8CLED04G01 PowerPSoC还通过基于软件的PSoC内核方法支持MPPT。该设备的内部控制器运行MPPT，负载和充电控制以及系统保护的算法。当太阳能电池板电压降至预设电压以下时，其自动黄昏至黎明选项将关闭负载，因此HB LED从电池获取电力以照亮。当面板电压达到阈值电压（指示晴天条件）时，设备将关闭负载并开始为电池充电。对于电池充电，PowerPSoC算法支持四种铅酸电池充电模式：完全充电，恒压充电，涓流充电和过压充电，以均衡充电电池。

同样，恩智浦MPT612采用基于ARM7TDMI-S RISC处理器的基于软件的方法。工程师可以通过包含可选软件模块来创建自定义解决方案，以实现电池管理，负载管理等功能。 MPT612提供专用硬件功能，包括使用适当的电压和电流传感器进行电压和电流测量。对于MPPT和其他管理操作，器件使用这些片上测量功能自动计算所需参数。

虽然赛普拉斯PowerPSoC和NXP MPT612等设备允许软件调整和优化更复杂的MPPT算法（如果需要），但其他设备使用内置反馈环路来实现简单的MPPT方法。例如，STMicroelectronics SPV1040是一款单片太阳能电池充电器，具有基于输入电压调节环路的嵌入式MPPT算法，可通过电阻分压器固定充电电池电压。在操作中，该调节环路根据需要改变PWM占空比，以保持最佳的面板输出。通过SPV1040，工程师可根据需要使用电流检测电阻将最大输出电流设置为1.8 A，以满足特定的充电要求。如果系统达到此最大电流水平或超过155°C的最高温度限制，SPV1040将禁用PWM切换。 SPV1040还提供输入源反极性保护，以防止在太阳能电池板输入意外反转时造成损坏。

凌力尔特公司提供一对LT3652 IC和LTM8062AμModule解决方案，如果输入电压低于用电阻分压器设定的编程电平，则使用输入电压调节环路来降低充电电流。对于太阳能电池板操作，此输入调节回路使面板保持在峰值输出功率或接近峰值输出功率（图4）。

（a）

（b）

图4：使用MPPT的输入电压调节回路为最大化太阳能电池阵列输出提供了相对简单的解决方案。在这里，Linear LT3652使用调节回路（a）将最大功率点保持在98％附近（b）（由Linear Technology提供）。

LT3652 IC作为完整的降压电池充电器，提供恒定电流/恒定电压充电管理，可编程最大充电电流高达2 A.使用3.3 V浮动电压反馈参考，LT3652可编程以提供高达14.4 V的任何所需电池浮动电压.LTM8062和LTM8062AμModules是完整的电池充电模块，能够提供高达2 A的充电电流。与LT3652一样，这些充电器使用3.3V浮动电压反馈基准电压来提供14.4 V（LTM8062）或18.8 V（LTM8062A）的电池浮动电压，并使用外部电阻分压器进行编程。

TI BQ24650开关模式电池充电控制器IC还使用输入调节环路来设置太阳能电池阵列的工作点。使用此调节环路时，BQ24650可在输入电压低于预设值时降低充电电流。对于太阳能电池板，充电电流的这种变化转化为太阳能电池板恢复到其最大功率点。作为BQ24650的核心，恒定频率同步PWM控制器有助于确保恒定电流/恒定电压充电的精确电流和电压调节，以及电池管理功能，包括充电预处理，充电终止和充电状态监控。

结论

由于HB LED效率的不断提高，太阳能照明已经进入主流。对于工程师来说，设计高效的太阳能HB-LED照明解决方案需要特别注意LED驱动器的恒定电流调节，同时将太阳能电池阵列输出保持在最大功率点。使用针对太阳能管理和LED驱动而优化的可用设备，工程师可以更轻松地构建太阳能照明解决方案，这些解决方案能够在太阳能供电能力范围内提供高功率水平的高照度。