太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的無污染的潔凈能源，已被公認為未來解決能源危機的最有效能源。LED燈具有壽命長、高效節能、環保等優勢。因此，把太陽能與LED路燈有機地結合在一起，開發出太陽能LED燈照明控制器非常重要。目前市場上很多太陽能控制器，都是采用直充方式充電，沒有對蓄電池進行管理控制，導致能源利用率不高，可靠性不強 [1]。本文所設計的基于STC12C5410AD的雙Buck照明控制器，采用最大功率點充電，充分利用太陽能電池板的能量，對蓄電池進行浮充充電，防止蓄電池假充滿的現象；對LED路燈采用二段式的恒流控制，以增強LED燈的使用壽命，實現了一種環保節能的照明模式，解決了市場上一些太陽能控制器的缺陷，是一種性價較高的產品。
1 系統原理
    雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統原理圖如圖1所示。系統包括：太陽能電池、電壓電流采集模塊、同步Buck模塊、蓄電池、LED路燈和STC智能控制器。太陽能電池組件為系統提供能源，通過采集太陽能電池板上的電壓來判別是白天、黑夜，當檢測電池板的電壓高于一定值時,進入白天模式，此時：STC智能控制器通過所采集的太陽能電池板兩端的電壓和充電電流,控制同步Buck工作，實現對蓄電池的MPPT(Maximum Power Point Tracking)充電，當蓄電池的電壓達到一定值時，進入浮充充電模式，實時采集蓄電池兩端的電壓，防止蓄電池過充、過放；當檢測電池板的電壓小于一定值時，進入黑夜模式,此時：打開并控制后級同步Buck電路，實現對LED路燈的恒流控制[2-3]。

　
2 系統硬件設計
2.1 充電控制
2.1.1 Buck電路
    太陽能最大功率點跟蹤控制所需的DC-DC模塊包括：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk等拓撲方式，通過對四種電路方案的比較，本文選用Buck電路。
    為追蹤太陽能最大功率點實現最大能量利用，前級的DC-DC電路曾采用四種Buck驅動方案：利用PMOS做Buck；獨立電源加光耦；基于IR2110的Buck電路；基于IR2104的同步Buck電路。對四種驅動方案進行了比較分析：PMOS由于導通阻抗較大，PMOS發熱嚴重，工作效率低，只適用于電壓值比較低、工作效率要求不高的場合；獨立電源加光耦，需要制作一個獨立電源來隔離光耦兩邊的地；使用IR2110高壓自舉芯片做驅動[4]，必須嚴格遵守工作所需的條件,需加電阻放掉Buck后級儲能濾波電容中的電，才能正常啟動;基于IR2110的Buck電路，防反充二極管須加在Buck電路輸出端,在電流比較小的情況下，工作尚可；當電流較大時，Buck電路中續流二極管的消耗就會增加。為了減小續流二極管的損耗，最后選擇了基于IR2104的同步Buck電路，其電路原理圖如圖2所示。

    IR2104芯片內部已經接有下拉電阻到地，其控制端/SD，當系統未開啟工作時，/SD置零，防止開關管誤操作損害開關管和芯片；當系統正常工作時，/SD置1，使能IR2104。IN是PWM信號輸入端，LO是低端MOS管驅動輸出，HO是高端MOS管驅動輸出。IR2104高端利用自舉電路的原理提供高壓懸浮驅動，VCC由12 V鉛酸蓄電池直接提供，通過自舉二極管和自舉電容，周期性地充放電，達到自舉的目的。IR2104最大工作電壓可達到600 V，死區時間為520 ns，是同步Buck電路MOS管驅動的一種可行性方案，能大大提高DC-DC轉換效率。采用同步Buck電路，在后級接一個防倒灌二極管給蓄電池充電，其工作良好。
2.1.2 電流、電壓采集電路
    太陽能充電電流采集采用0.03 Ω的采樣電阻進行采樣，并選取MAX4080TASA芯片進行電壓放大，放大倍數為20倍，可檢測到的最大電流達到8.3 A。電壓采集采用電阻分壓降壓的采集方法。模數地加磁珠分離，以減小模擬地對系統的干擾。采集上來的數據通過射隨跟隨器跟隨，以提高所采集數據的精確度。
2.1.3 防雷電路
    采用雙層防雷保護措施，選取壓敏電阻接大地和控制前級Buck電路使能端共同作用。當沒有雷電時，壓敏電阻阻值比較大；當有雷電時，壓敏電阻阻值變小，高壓脈沖通過壓敏電阻到地，把能量通過大地流走。當系統檢測到太陽電池板的電壓降到一定值時，就把IR2104的控制端置零，使Buck停止工作，保護后級電路不受雷電的影響。
2.2 放電控制
    LED路燈的驅動同樣采用同步Buck電路,其驅動控制電路如圖3所示，通過檢測采集上來的電流信號，STC單片機控制PWM信號輸出,實現恒流控制。采用同步Buck轉換效率可高達95%,容易實現全功率、半功率及各個功率的輸出控制。負載LED的電流采集采用MAX4080TASA，數字地和模擬地通過磁珠隔離，盡量減小地的干擾，能夠實現較好地恒流控制。

3 系統軟件設計
    系統軟件流程圖如圖4所示。STC12C5410AD單片機內部集成4路PWM發生器和8路10 bit的A/D轉換器，可直接實現PWM輸出和A/D轉換。系統實時采集太陽能電池板和蓄電池兩端電壓，當檢測到太陽能電池板的電壓大于6 V(6 V是設定的白天標志值)時，延時3 min，在3 min內實時監測電池板電壓，若3 min后電池板電壓仍大于6 V,則進入充電模式：(1)關閉路燈，采集蓄電池電壓，當蓄電池兩端的電壓小于14.7 V時，使能前級Buck電路控制端，采集電壓電流信號，控制單片機調制PWM輸出，采用雙向擾動法實現最大功率點充電[5-6]。(2)當采集的電流小于0.2 A時，進入固定電壓法充電模式，把太陽能電池板的電壓輸出穩在28 V~32 V之間(選擇端電壓為40 V的太陽能板)；(3)當蓄電池電壓上升到14.7 V時，轉為浮充充電模式，蓄電池浮充電壓設為13.6 V~13.8 V。當電池板的電壓降到6 V時，置零前級的Buck電路控制端延時3 min，3 min內實時監測電池板電壓。如果3 min后采集上來的電壓值還是小于6 V，則進入放電模式：使能后級Buck電路控制端，這時路燈點亮，全功率放電，延時5個小時后進入半功率放電模式，系統時刻監測天亮，天亮或延時5個小時結束，則路燈關閉。系統實時采集蓄電池電壓，可以保證過充和過放保護，防止蓄電池損害，實現無人值守工作。

4 實驗結果
    系統前級同步Buck電路雙MOS管的驅動波形如圖5所示。由圖可以看出，采用IR2104做同步驅動的波形效果還是較好的，添加電阻限流和二極管加速MOS管結電容的放電，進一步降低了開關損耗，提高了效率。A為Q1管驅動波形圖，B為Q2管驅動波形圖，由于示波器的兩個探頭內部是相連的,所以圖中A和B波形圖都是相對于模擬地的。從圖中可以看出,兩種MOS管的驅動波形能得到很好的互補，能較好地控制同步Buck工作，實現最大功率點跟蹤。

    后級同步Buck電路中雙MOS管Q3、Q4的驅動波形如圖6所示。通過調節占空比可以調節LED的功率。為了合理利用蓄電池中的能量，LED驅動采用恒流驅動方式，全功率為控制PWM波實現2 A恒流輸出，半功率控制PWM波實現1 A恒流LED驅動,通過軟件調節各個時刻的輸出功率。對基于IR2104的同步Buck電路LED驅動方案進行測試發現:當工作頻率為20 kHz、輸出占空比為90%的PWM波時，蓄電池電壓為11.94 V，放電電流為1.777 A，LED兩端電壓為10.199 V，LED燈供電電流為1.977 A，效率高達95.03%。因此可以看出，這是LED恒流驅動的一種可行性方案。

    本文研制的基于STC12C5410AD的雙Buck太陽能照明控制器，可實時采集太陽能電池板電壓，能夠正常準確地檢測出白天、黑夜，利用自舉芯片IR2104實現同步Buck,采用最大功率點和浮充兩種方式對蓄電池進行充電，并對蓄電池進行管理，以防止過充和過放，LED路燈恒流輸出，系統已經正常工作了2個月。雖然防反充二極管選用的是肖特基二極管，但是，損耗還是比較大的。今后將采取一些措施減小防反充二極管的損耗，進一步提高充電效率。
參考文獻
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