隨著化石類能源的日益減少，以及溫室氣體的過度排放導致全球變暖問題越來越受到重視，人們一方面在積極開發各類可再生新能源，另一方面也在倡導節能減排的綠色環保技術。太陽能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，成為眾多可再生能源的重要代表；而在照明領域，壽命長、節能、安全、綠色環保、色彩豐富、微型化的LED固態照明也已被公認為世界一種節能環保的重要途徑。太陽能-LED街燈同時整合了這兩者的優勢，利用清潔能源以及高效率的LED實現綠色照明。

本文介紹的太陽能-LED街燈方案，能自動檢測環境光以控制路燈的工作狀態，最大功率點追蹤(MPPT)保證最大太陽能電池板效率，恒電流控制LED，并帶有蓄電池狀態輸出以及用戶可設定LED工作時間等功能。


系統結構與實現原理


目前街燈普遍使用的是市電供電的高壓鈉燈結構，其中高壓鈉燈的電子驅動部分需要把市電從交流轉化為直流，再逆變到交流來驅動，導致系統效率較低；而且由于使用的是市電，需要鋪設復雜、昂貴的管線。太陽能-LED街燈則不具備以上的問題，由于太陽能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅動光源，兩者的結合更能提高整個系統的效率；太陽能的使用也免去了鋪設電纜及其相關工程的費用。

圖1: 太陽能-LED街燈系統結構原理。

　

圖1是一個太陽能-LED街燈的結構示意圖。太陽能電池板在太陽光的照射下，其內部PN結會形成新的電子空穴對，在一個回路里就能產生直流電流；這個電流流入控制器，會以某種方式給蓄電池充電。蓄電池在白天的時候會接受充電，而在晚上則會提供能量給LED。LED的工作是通過控制器進行的，控制器在保證LED恒流工作的同時，也會監測LED的狀態以及控制工作時間長短。連續陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下，控制器會發出控制信號來啟動外部的市電供電系統（不包含在控制器中），保證LED的正常工作。外部的市電供電系統只是作為后備能源，只有在蓄電池電能不足的情況下才會被使用。蓄電池的充電完全只是通過太陽能來實現的，以確保最大限度使用太陽能。

圖2: 控制器結構方框圖

圖2是控制器的結構方框圖。太陽能電池板進來后會首先經過一個開關MOS管KCHG連接到直流/直流變換器（蓄電池充電電路），此變換器的輸出連接到蓄電池兩端（實際電路里會先通過一個保險絲再連到蓄電池上）。加上KCHG有兩個作用：一是防止太陽能電池輸出較低時由蓄電池過來的反充電流；二是當太陽能電池板極性接反時起到保護電路的作用。直流/直流變換器采用降壓拓撲結構，拓撲結構的選擇不僅得考慮太陽能電池板最大功率點電壓和蓄電池最大電壓，而且同時得兼顧效率和成本。蓄電池和LED之間也是通過一個直流/直流變換器（LED驅動電路），對LED要采用恒流控制方式，考慮到蓄電池電壓的波動范圍以及LED的工作電壓范圍，設計電路中采用反激式拓撲結構來保證恒流輸出。反激式拓撲的效率一般沒有簡單的升壓或者降壓電路高，如果要提升系統的效率，可以通過優化蓄電池電壓與LED電壓的關系來采用升壓或者降壓電路，提升效率并可能進一步減低成本。


整個控制器的控制是通過一個MCU來實現，MCU的主要工作包括以下幾點：一是采用MPPT算法來優化太陽能電池板工作效率；二是針對蓄電池不同狀態采用合適的充電模式；三是保證LED驅動電路的恒流輸出；四是判斷白天黑夜并以此來切換蓄電池充電和放電模式；最后就是提供監控保護、溫度監測、狀態輸出和用戶控制輸入檢測（DIP1~4）等功能。MCU的選擇最主要是滿足ADC、GPIO和外部中斷的需要，不需要單純追求速度。表1列出了實際電路中MCU外圍設備的使用情況，考慮到以后擴展的需要，主控芯片使用STM32F101RXT6 （意法半導體最新款STM32系列MCU，采用Cortex-M3內核）。


表1: MCU外設分配。