???? 近年來,，業(yè)界越來越關(guān)注利用可再生的清潔能源太陽能進行街道照明,。典型太陽能街道照明系統(tǒng)由太陽能電池板,、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)等三個重要階段,，如此前熒光燈和HID均已被用于太陽能街燈。???????
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圖1：典型的太陽能供電街道照明系統(tǒng)示意圖
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?? 相比較而言,，發(fā)光二極管(LED)被視作照明光源的第四個重要階段,。LED具有著高能效、超長工作壽命,、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)界越來越多地將LED用于太陽能街道照明。且LED的能效及光輸出性能已大幅提升，公開宣稱的最強白光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(tǒng)的熒光燈和HID金屬燈,。特別是到2008年，白光LED已實現(xiàn)大批量商業(yè)化生產(chǎn),，為LED更大規(guī)模地進軍太陽能街燈應(yīng)用打開了大門,。?
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?? 對于太陽能街燈而言，提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效(目前僅為約30%)非常重要,。太陽能電池板的電壓-電流(V-I)特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性,，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實現(xiàn))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,。?
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??? 基本型的充電控制器設(shè)計用于保護電池免受過充或欠充影響，并防止反向電流,。脈寬調(diào)制(PWM)型控制器會控制對電池充電的電量,，并可實現(xiàn)細流充電(trickle charge)，從而保護電池并延長使用壽命,。而最新支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對太陽能電池不斷變化的V/I特性曲線提供補償,，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效,，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量,。?
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?? ?具體而言，當我們實際上無法改變負載時,，MPPT功能使太陽能電池“認為”負載正在發(fā)生變化,；通過這種方式，MPPT“欺騙”太陽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能板電池充電控制應(yīng)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(diào)節(jié)逐脈沖限流、輸入欠壓鎖定和輸出過壓鎖定等保護特性,。該控制器提供輔助輸入端,，用于遠程傳輸和監(jiān)控；能夠適應(yīng)功率高至90 W的太陽能板應(yīng)用,。 ?
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圖2：安森美半導體CS51221控制器的太陽能板充電控制應(yīng)用示意圖?
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??? 在應(yīng)用電路中,，需要針對CS51221選擇合適的拓撲結(jié)構(gòu)。所選擇的拓撲結(jié)構(gòu)要能夠在一個蓄電池的情況下將太陽能板輸出電壓降至12 V,而在有兩個或多個蓄電池情況下，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(jié)構(gòu),。安森美半導體針對太陽能板充電控制應(yīng)用所推出的參考設(shè)計中,，選擇的是反激拓撲結(jié)構(gòu)。?
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??? 在應(yīng)用中,，通過在ISET引腳動態(tài)地調(diào)節(jié)電流限制,，從而實現(xiàn)最大峰值功率追蹤功能。一旦輸入電壓逐脈沖下降,，電流限制就會被降低,，直至輸入電壓恢復。這種方式消除了使用價格昂貴的微控制器(MCU)的需要,。這樣實現(xiàn)的充電控制器會發(fā)現(xiàn)峰值功率點并進行動態(tài)調(diào)節(jié),，使其符合不斷變化的電源特性。?
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??? 通過采用最大峰值功率追蹤技術(shù),，可以有約30%的額外電荷從太陽能板傳輸至蓄電池,，這樣就可以使太陽能街燈系統(tǒng)采用尺寸更小的太陽能板。如在獲得相同電能的情況下,，可以采用帶MPPT功能的60 W功率太陽能板來替代采用基本充電控制器的90 W功率太陽能板,。按照輸出每瓦電能需要約價值4美元的太陽能板來計算，功率減少30 W所帶來的太陽能板成本節(jié)省就可達到120美元,，從而帶來顯著的成本降低收益,。 ?
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應(yīng)對LED性能提升的驅(qū)動電路設(shè)計策略及解決方案
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??? 如前所述，在太陽能街道照明系統(tǒng)的光源方面,，LED正在取代傳統(tǒng)的熒光燈和高強度氣體放電燈(HID),。HID包括金屬鹵化物燈(簡稱“金鹵燈”)、高/低壓鈉燈和水銀蒸氣燈等多種類型,，其中,，憑借著相對較高的發(fā)光效率，金屬鹵化物燈應(yīng)用得更為普遍,。?
如今,，隨著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(shù)量將會更少，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(shù)為3,500流明(lm),，這功率等級所需要采用的LED數(shù)量在2007年是30個；預計到2012年,，數(shù)量會減少到20個,！所以LED將具有越來越大的經(jīng)濟適用優(yōu)勢。?
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?? 為了因應(yīng)LED性能快速提升的趨勢,，并維持設(shè)計在較長時期內(nèi)的適用性,，必須采用一些實用的設(shè)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,。?
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? 圖3：通過模塊化LED途徑替代金鹵燈?
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??? 首先，在模塊化途徑替代金鹵燈光源方面,，可使每個LED光條采用固定數(shù)量的LED,。隨著LED在光輸出等方面性能的持續(xù)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，參見圖3,。?
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??? 其次,，在設(shè)計過程中，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，在采用目前市場上性能最高的LED進行原型設(shè)計方面,，雖然相關(guān)的成本較為高昂,，但隨著LED性能的提升及價格的下降，這種方式能夠締造出在未來較長時期內(nèi)具有更高競爭力和更長使用壽命的產(chǎn)品,。此外,，隨著LED性能的提升及由此帶來的單個設(shè)計用量減少，在LED驅(qū)動器設(shè)計方面也需要更好地規(guī)劃相關(guān)的靈活性,，做到相應(yīng)的BOM成本降低,。?
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??? 以一個典型的太陽能街燈LED驅(qū)動設(shè)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，采用單層光學器件,；采用+12 V電池工作,。?
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??? 與此相應(yīng)，假定所使用的LED規(guī)范如下：?
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??? 輸出：典型100 lm @ 350 mA @ 結(jié)溫度(Tj)=25℃?
??? 驅(qū)動電流：350 mA?
??? 光電器件：單層,，且耦合良好,，光學損耗僅為12%?
??? 最高環(huán)境溫度：40℃?
??? 驅(qū)動器損耗：10% (目標能效90%)?
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??? 這樣一來，我們就首先需要估計LED數(shù)量及總功率。由于Tj=25℃時LED光輸出為100 lm,，而Tj升高時LED光輸出會降低,；Tj為90℃時，LED光輸出會下降20%,，即輸出降為80 lm,。由于光器件的光學損耗為12%，所以每個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(shù)量為約60個。相應(yīng)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(shù)量)=76 W,。由于驅(qū)動器的員耗約為15%，所以燈具總功率約為89 W,。?
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??? 而在拓撲結(jié)構(gòu)方面,，需要采用恒流架構(gòu)來進行驅(qū)動。此外,，需要能夠根據(jù)不同LED數(shù)量來調(diào)節(jié)LED輸出電流,、滿足較高能效要求、系統(tǒng)途徑具有高性價比及易于實現(xiàn),。?
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??? 針對上述設(shè)計要求,，可以采用安森美半導體的穩(wěn)壓器NCP3066來實現(xiàn)驅(qū)動解決方案。NCP3066是一款高亮度LED恒流降壓穩(wěn)壓器,，帶專用“啟用”引腳用于實現(xiàn)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(shè)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來進行升壓,。針對4至30 W功率的不同應(yīng)用，可提供不同MOSFET選擇,。?
??? 在設(shè)計途徑上,，我們進行模塊化設(shè)計，即采用8個LED光條,，每個光條含1個驅(qū)動器電路及8個LED,。這樣LED總數(shù)即為64個,，接近所要求的60個LED數(shù)量，可以提供所要求的功率及光輸出,，并具有極高的能效,，參見圖4。?
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圖4：NCP3066驅(qū)動8個CREE XRE LED時的輸出電流與輸入電壓曲線圖,。?
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總結(jié)：
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??? 本文探討了如何利用安森美半導體的CS51221充電控制器,，并結(jié)合最大峰值功率追蹤(MPPT)功能來最大限度提升太陽能電池板為LED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控制器來驅(qū)動電池供電的LED街燈及相關(guān)的設(shè)計策略,，幫助客戶縮短太陽能LED街燈的設(shè)計過程,，加快產(chǎn)品上市。?
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