太陽能LED照明的能量轉(zhuǎn)換解析

背景

太陽能照明的示例不勝枚舉。無論是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)使用太陽能臺燈作為夜間閱讀的照明燈，還是對公共街道照明進行全面部署，對太陽/LED照明組合系統(tǒng)的需求都具有多樣性、接受度高及全球化的特點。唯一不同之處僅在于最終應用的需求規(guī)模(閱讀與一般照明的要求截然不同)。

所有此類系統(tǒng)的核心組件均包括：i) 太陽能電池;ii) 電池;iii) LED.如果采用更廣義的描述，這些組件分別為：太陽能采集器(太陽能電池)、儲能裝置(電池)以及耗能裝置(LED)。雖然這并不十分準確，但有助于突出分析的靈活性。圖1a給出了最基本的系統(tǒng)配置。

圖1:兩種系統(tǒng)配置

不過，為使這種方案生效，每個組件的特性必須彼此兼容。對于本例而言，這意味著太陽能電池的輸出電壓/電流特性必須與電池的充電曲線匹配，電池的放電曲線必須滿足LED的驅(qū)動要求。我們很快發(fā)現(xiàn)，圖1(a)中的配置不能滿足上述要求。

組件概述

回顧一下每個組件的性能特性，如圖2(a到d)所示的伏安特性，我們發(fā)現(xiàn)，盡管可以在有限的配置集中使這些組件的特性相互接近，但幾乎無法保證能達到合理的性能水平。我們很快發(fā)現(xiàn)，太陽能電池的電壓(單片電池)最高為1V左右，而NiMH電池的工作電壓介于0.9V與1.4V之間，而且雖然LED的正向電壓通常高于3V,但需要恒流源。此外，NiMH電池為延長使用壽命，還有一些特殊的充電要求。

雖然可以開發(fā)相應系統(tǒng)直接連接所有組件，但應清楚，這種配置存在很大的局限性，并且會對系統(tǒng)整體效率與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖2:組件伏安特性以及驅(qū)動要求要打破這些限制，我們可以看一下圖1(b)所示的備選系統(tǒng)圖。此系統(tǒng)配置在三大核心組件之間分別添加了電力電子接口，可大幅提高系統(tǒng)的靈活性，并且可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。在此配置中，單片機并非必不可少。可以采用獨立的電池充電器集成電路(IC)來滿足NiMH充電曲線的要求，與此類似，可以采用LED驅(qū)動器IC將電池電壓轉(zhuǎn)換為恒流源。

但這種配置至少存在以下兩方面缺點。第一，靈活性受到限制。所選器件的工作范圍很可能比較窄，這會限制它們響應系統(tǒng)變化或客戶需求的能力。例如，如果太陽能電池的配置發(fā)生變化，就需要更換電池充電IC.如果儲能技術(shù)或配置發(fā)生變化，就很可能需要同時更換電池充電IC和LED驅(qū)動器IC.最后，如果LED的類型或配置發(fā)生變化，就需要重新配置LED驅(qū)動器IC.考慮到這些技術(shù)的革新速度，唯有靈活性達到標準才能更快地響應不斷變化的需求。單片機的使用將能增強系統(tǒng)以致整個解決方案的靈活性。此時，如果硬件變化大，將并不需要重新進行大量的設(shè)計與驗證工作，因為大部分的變化都能夠在單片機內(nèi)部實現(xiàn)。

第二個缺點體現(xiàn)在系統(tǒng)優(yōu)化組件方面。通用的電池充電IC雖然很容易獲得，但卻很難找到包含最大峰值功率跟蹤(MPPT)算法的電池充電IC,以最大程度輸出太陽能電池的電量。離散型解決方案難以跟上技術(shù)革新的步伐。

建議的實現(xiàn)方案

要突破定制解決方案的限制，可以在系統(tǒng)中引入單片機，這樣設(shè)計人員不僅能夠充分利用各核心組件的增強性能，還可重復使用基本架構(gòu)。圖3給出了建議的實現(xiàn)方案。

圖3:基于MCU的建議架構(gòu)

圖3所示的實現(xiàn)方案有三大優(yōu)勢。第一，可方便快速地對系統(tǒng)的各個方面進行優(yōu)化。此解決方案包括以下四個主要系統(tǒng)：LED、電池、太陽能電池和電力電子器件。如上文所述，應對電池充電曲線加以控制，以提高電池的充電效率并延長其使用壽命。而整體充電效率還與太陽能電池的效率有關(guān)。將MPPT曲線整合到能量轉(zhuǎn)換算法中可以提高太陽能à電能轉(zhuǎn)換的總效率，在實現(xiàn)充電目標的同時，最終還能減小太陽能電池組的尺寸。

這會影響產(chǎn)品外形，設(shè)計人員因此有機會增強產(chǎn)品的視覺沖擊力。同樣，目標應用可能將燈光的質(zhì)量確定為關(guān)鍵特性，如同用于閱讀的應用那樣。燈光質(zhì)量取決于電流波形，這或許是對LED驅(qū)動電流有嚴格的容差要求，或許是要求包括調(diào)光功能。采用建議的實現(xiàn)方案，設(shè)計工程師可對組件效率以致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性及使用壽命的方方面面進行優(yōu)化。

第二，該架構(gòu)完全可擴展并可支持較寬的功率范圍。用于閱讀照明的便攜式小巧臺燈可以有一個太陽能電池、現(xiàn)成的NiMH充電電池以及幾個驅(qū)動電流為20-75 mA的LED.該設(shè)計僅需更換一些功率傳輸組件(包括現(xiàn)成的功率MOSFET和變壓器)，便可快速調(diào)整功率額定值，從而滿足商業(yè)和公共安全照明的需求。例如，可增加太陽能電池的數(shù)量，用定制的電池組替代現(xiàn)成的NiMH電池，使用驅(qū)動電流為350 mA以上的高光強大電流LED.

第三大優(yōu)勢是平臺的靈活性，設(shè)計人員可根據(jù)核心技術(shù)、用戶需求或用戶行為的變化快速進行調(diào)整。例如，可快速采用升級的太陽能電池或具有特殊驅(qū)動要求的新LED,從而加快推出新產(chǎn)品的速度。利用客戶在使用這些產(chǎn)品過程中提出的反饋，還可能催生其他非核心功能的需求，例如通信(如串口轉(zhuǎn)無線接口等)以及預測性診斷功能。因此，該解決方案不僅能夠根據(jù)變化條件進行調(diào)整以及優(yōu)化性能，還能夠告知用戶自身的相對健康狀況并預測何時需要維護。

結(jié)論

如同大多數(shù)新興技術(shù)那樣，我們并不總是能確定其發(fā)展方向。但兩種新興技術(shù)(如PV太陽能電池和LED)一旦融合基于單片機的功率轉(zhuǎn)換器方案的靈活性，就必定能快速實現(xiàn)應用改善，滿足客戶的需求。