- 采用最大峰值功率追蹤技術(shù)提升太陽(yáng)能板能效
- 應對LED性能提升的驅動(dòng)電路設計策略及解決方案
- 采用MPPT技術(shù)，使約30%的額外電荷從太陽(yáng)能板傳輸至蓄電池
- 安森美CS51221增強型電壓模式PWM控制器支持MPPT技術(shù)
- 因應LED性能的提升，使設計在較長(cháng)時(shí)間內有效需要：
- 使用模塊化替代
- 使用壽命周期分析
- 物料清單(BOM)成本降低
近年來(lái)，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注利用可再生的清潔能源太陽(yáng)能進(jìn)行街道照明。典型太陽(yáng)能街道照明系統由太陽(yáng)能電池板、充電控制器、蓄電池、光源以及燈桿等組成，如圖1所示。而在照明光源方面，經(jīng)歷了從白熾燈到熒光燈和高強度氣體放電燈(HID)等三個(gè)重要階段，如此前熒光燈和HID均已被用于太陽(yáng)能街燈。
圖1：典型的太陽(yáng)能供電街道照明系統示意圖。
相比較而言，發(fā)光二極管(LED)被視作照明光源的第四個(gè)重要階段。LED具有著(zhù)高能效、超長(cháng)工作壽命、低直流電壓工作、發(fā)出指向光、能夠提供多種色彩及白光、小巧、具有固態(tài)器件的強固性、不含汞等眾多優(yōu)勢，因此，業(yè)界越來(lái)越多地將LED用于太陽(yáng)能街道照明。且LED的能效及光輸出性能已大幅提升，公開(kāi)宣稱(chēng)的最強白光LED研發(fā)能力已經(jīng)達到132至136流明/瓦(lm/W)，這種能效水平已經(jīng)高于傳統的熒光燈和HID金屬燈。特別是到2008年，白光LED已實(shí)現大批量商業(yè)化生產(chǎn)，為L(cháng)ED更大規模地進(jìn)軍太陽(yáng)能街燈應用打開(kāi)了大門(mén)。
采用最大峰值功率追蹤技術(shù)提升太陽(yáng)能板能效
對于太陽(yáng)能街燈而言，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉換能效(目前僅為約30%)非常重要。太陽(yáng)能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線(xiàn)呈現非線(xiàn)性和可變性，要從中吸取最大量的電能非常困難。這需要太陽(yáng)能LED街燈的充電控制器及其它相關(guān)電子電路(一般采用微控制器來(lái)實(shí)現)盡可能采用有效的控制方法以提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢。
基本型的充電控制器設計用于保護電池免受過(guò)充或欠充影響，并防止反向電流。脈寬調制(PWM)型控制器會(huì )控制對電池充電的電量，并可實(shí)現細流充電(trickle charge)，從而保護電池并延長(cháng)使用壽命。而最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對太陽(yáng)能電池不斷變化的V/I特性曲線(xiàn)提供補償，優(yōu)化太陽(yáng)能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。
具體而言，當我們實(shí)際上無(wú)法改變負載時(shí)，MPPT功能使太陽(yáng)能電池“認為”負載正在發(fā)生變化；通過(guò)這種方式，MPPT“欺騙”太陽(yáng)能板輸出希望所得到的電壓和電流，從而允許更多電能輸入至蓄電池。
安森美半導體針對太陽(yáng)能板電池充電控制應用解決方案，其核心采用CS51221增強型電壓模式PWM控制器，支持最大峰值功率追蹤，輸入電壓為12至24 V，輸出電流為12 V@2 A，并提供可調節逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過(guò)壓鎖定等保護特性。該控制器提供輔助輸入端，用于遠程傳輸和監控；能夠適應功率高至90 W的太陽(yáng)能板應用。
圖2：安森美半導體CS51221控制器的太陽(yáng)能板充電控制應用示意圖
在應用電路中，需要針對CS51221選擇合適的拓撲結構。所選擇的拓撲結構要能夠在一個(gè)蓄電池的情況下將太陽(yáng)能板輸出電壓降至12 V,而在有兩個(gè)或多個(gè)蓄電池情況下，也能輕易修改，支持升壓至24 V。 CS51221本身能夠配置為正激、反激或升壓拓撲結構。安森美半導體針對太陽(yáng)能板充電控制應用所推出的參考設計中，選擇的是反激拓撲結構。
在應用中，通過(guò)在ISET引腳動(dòng)態(tài)地調節電流限制，從而實(shí)現最大峰值功率追蹤功能。一旦輸入電壓逐脈沖下降，電流限制就會(huì )被降低，直至輸入電壓恢復。這種方式消除了使用價(jià)格昂貴的微控制器(MCU)的需要。這樣實(shí)現的充電控制器會(huì )發(fā)現峰值功率點(diǎn)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節，使其符合不斷變化的電源特性。
通過(guò)采用最大峰值功率追蹤技術(shù)，可以有約30%的額外電荷從太陽(yáng)能板傳輸至蓄電池，這樣就可以使太陽(yáng)能街燈系統采用尺寸更小的太陽(yáng)能板。如在獲得相同電能的情況下，可以采用帶MPPT功能的60 W功率太陽(yáng)能板來(lái)替代采用基本充電控制器的90 W功率太陽(yáng)能板。按照輸出每瓦電能需要約價(jià)值4美元的太陽(yáng)能板來(lái)計算，功率減少30 W所帶來(lái)的太陽(yáng)能板成本節省就可達到120美元，從而帶來(lái)顯著(zhù)的成本降低收益。
應對LED性能提升的驅動(dòng)電路設計策略及解決方案
如前所述，在太陽(yáng)能街道照明系統的光源方面，LED正在取代傳統的熒光燈和高強度氣體放電燈(HID)。HID包括金屬鹵化物燈(簡(jiǎn)稱(chēng)“金鹵燈”)、高/低壓鈉燈和水銀蒸氣燈等多種類(lèi)型，其中，憑借著(zhù)相對較高的發(fā)光效率，金屬鹵化物燈應用得更為普遍。
如今，隨著(zhù)LED性能的快速提升，它在替代金鹵燈方面顯示出了更大潛力，要提供同等的光輸出，所使用的LED數量將會(huì )更少，從而提供LED的經(jīng)濟適用性。以100 W金鹵燈為例，其平均光輸出流明數為3,500流明(lm)，這功率等級所需要采用的LED數量在2007年是30個(gè)；預計到2012年，數量會(huì )減少到20個(gè)！所以L(fǎng)ED將具有越來(lái)越大的經(jīng)濟適用優(yōu)勢。
為了因應LED性能快速提升的趨勢，并維持設計在較長(cháng)時(shí)期內的適用性，必須采用一些實(shí)用的設計策略，如模塊化替代、使用壽命周期分析和物料清單(BOM)成本降低等。
圖3：通過(guò)模塊化LED途徑替代金鹵燈
首先，在模塊化途徑替代金鹵燈光源方面，可使每個(gè)LED光條采用固定數量的LED。隨著(zhù)LED在光輸出等方面性能的持續提升，要提供相同的總光能輸出，就可以使用更少的LED光條，從而降低需要使用的LED的成本，參見(jiàn)圖3。
其次，在設計過(guò)程中，要有效地利用LED使用壽命周期分析，從而提前預知可能的后果。例如，在采用目前市場(chǎng)上性能最高的LED進(jìn)行原型設計方面，雖然相關(guān)的成本較為高昂，但隨著(zhù)LED性能的提升及價(jià)格的下降，這種方式能夠締造出在未來(lái)較長(cháng)時(shí)期內具有更高競爭力和更長(cháng)使用壽命的產(chǎn)品。此外，隨著(zhù)LED性能的提升及由此帶來(lái)的單個(gè)設計用量減少，在LED驅動(dòng)器設計方面也需要更好地規劃相關(guān)的靈活性，做到相應的BOM成本降低。
以一個(gè)典型的太陽(yáng)能街燈LED驅動(dòng)設計為例，我們可以定出這樣的目標：初始光輸出為4,200 lm；光能效適用，采用單層光學(xué)器件；采用+12 V電池工作。
與此相應，假定所使用的LED規范如下：
輸出：典型100 lm @ 350 mA @ 結溫度(Tj)=25℃
驅動(dòng)電流：350 mA
光電器件：?jiǎn)螌?，且耦合良好，光學(xué)損耗僅為12%
最高環(huán)境溫度：40℃
驅動(dòng)器損耗：10% (目標能效90%)
這樣一來(lái)，我們就首先需要估計LED數量及總功率。由于Tj=25℃時(shí)LED光輸出為100 lm，而Tj升高時(shí)LED光輸出會(huì )降低；Tj為90℃時(shí)，LED光輸出會(huì )下降20%，即輸出降為80 lm。由于光器件的光學(xué)損耗為12%，所以每個(gè)LED的光輸出就為約71 lm。由于需要的總光能輸出為4,200 lm，所以計算出的所需LED數量為約60個(gè)。相應的，總輸出功率為：3.6 V(LED工作電壓)×0.350 A(輸出電流)×60(LED數量)=76 W。由于驅動(dòng)器的員耗約為15%，所以燈具總功率約為89 W。
而在拓撲結構方面，需要采用恒流架構來(lái)進(jìn)行驅動(dòng)。此外，需要能夠根據不同LED數量來(lái)調節LED輸出電流、滿(mǎn)足較高能效要求、系統途徑具有高性?xún)r(jià)比及易于實(shí)現。
針對上述設計要求，可以采用安森美半導體的穩壓器NCP3066來(lái)實(shí)現驅動(dòng)解決方案。NCP3066是一款高亮度LED恒流降壓穩壓器，帶專(zhuān)用“啟用”引腳用于實(shí)現低待機能耗，具有平均電流感測功能(電流精度與LED正向電壓無(wú)關(guān))，提供0.2 V電壓參考，適合小尺寸/低成本感測電阻。該器件采用滯環(huán)控制，不需要環(huán)路補償，易于設計。需要指出的是，NCP3066也可用作PWM控制器，如可采用100 V外部N溝道FET來(lái)進(jìn)行升壓。針對4至30 W功率的不同應用，可提供不同MOSFET選擇。
在設計途徑上，我們進(jìn)行模塊化設計，即采用8個(gè)LED光條，每個(gè)光條含1個(gè)驅動(dòng)器電路及8個(gè)LED。這樣LED總數即為64個(gè)，接近所要求的60個(gè)LED數量，可以提供所要求的功率及光輸出，并具有極高的能效，參見(jiàn)圖4。
f圖4：NCP3066驅動(dòng)8個(gè)CREE XRE LED時(shí)的輸出電流與輸入電壓曲線(xiàn)圖。
總結：
本文探討了如何利用安森美半導體的CS51221充電控制器，并結合最大峰值功率追蹤(MPPT)功能來(lái)最大限度提升太陽(yáng)能電池板為L(cháng)ED街燈供電的能效及降低相關(guān)成本，以及如何利用安森美半導體靈活的NCP3066控制器來(lái)驅動(dòng)電池供電的LED街燈及相關(guān)的設計策略，幫助客戶(hù)縮短太陽(yáng)能LED街燈的設計過(guò)程，加快產(chǎn)品上市。
供稿：安森美半導體
