- 采用最大峰值功率追蹤技術提升太陽能板能效
- 應對LED性能提升的驅動電路設計策略及解決方案
- 采用MPPT技術，使約30%的額外電荷從太陽能板傳輸至蓄電池
- 安森美CS51221增強型電壓模式PWM控制器支持MPPT技術
- 因應LED性能的提升，使設計在較長時間內有效需要：
- 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，業界越來越關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。
圖1：典型的太陽能供電街道照明系統示意圖。
相比較而言，發光二極管(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、發出指向光、能夠提供多種色彩及白光、小巧、具有固態器件的強固性、不含汞等眾多優勢，因此，業界越來越多地將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研發能力已經達到132至136流明/瓦(lm/W)，這種能效水平已經高于傳統的熒光燈和HID金屬燈。特別是到2008年，白光LED已實現大批量商業化生產，為LED更大規模地進軍太陽能街燈應用打開了大門。
采用最大峰值功率追蹤技術提升太陽能板能效
對于太陽能街燈而言，提高太陽能電池板的光電轉換能效(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電子電路(一般采用微控制器來實現)盡可能采用有效的控制方法以提高能效，從而發揮最大優勢。
基本型的充電控制器設計用于保護電池免受過充或欠充影響，并防止反向電流。脈寬調制(PWM)型控制器會控制對電池充電的電量，并可實現細流充電(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，優化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優化電量。
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的太陽能板應用。
圖2：安森美半導體CS51221控制器的太陽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、反激或升壓拓撲結構。安森美半導體針對太陽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，通過在ISET引腳動態地調節電流限制，從而實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。這樣實現的充電控制器會發現峰值功率點并進行動態調節，使其符合不斷變化的電源特性。
通過采用最大峰值功率追蹤技術，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省就可達到120美元，從而帶來顯著的成本降低收益。
應對LED性能提升的驅動電路設計策略及解決方案
如前所述，在太陽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光效率，金屬鹵化物燈應用得更為普遍。
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數量將會更少，從而提供LED的經濟適用性。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；預計到2012年，數量會減少到20個！所以LED將具有越來越大的經濟適用優勢。
為了因應LED性能快速提升的趨勢，并維持設計在較長時期內的適用性，必須采用一些實用的設計策略，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LED光條采用固定數量的LED。隨著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，參見圖3。
其次，在設計過程中，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進行原型設計方面，雖然相關的成本較為高昂，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具有更高競爭力和更長使用壽命的產品。此外，隨著LED性能的提升及由此帶來的單個設計用量減少，在LED驅動器設計方面也需要更好地規劃相關的靈活性，做到相應的BOM成本降低。
以一個典型的太陽能街燈LED驅動設計為例，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%
最高環境溫度：40℃
驅動器損耗：10% (目標能效90%)
這樣一來，我們就首先需要估計LED數量及總功率。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數量為約60個。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進行驅動。此外，需要能夠根據不同LED數量來調節LED輸出電流、滿足較高能效要求、系統途徑具有高性價比及易于實現。
針對上述設計要求，可以采用安森美半導體的穩壓器NCP3066來實現驅動解決方案。NCP3066是一款高亮度LED恒流降壓穩壓器，帶專用“啟用”引腳用于實現低待機能耗，具有平均電流感測功能(電流精度與LED正向電壓無關)，提供0.2 V電壓參考，適合小尺寸/低成本感測電阻。該器件采用滯環控制，不需要環路補償，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來進行升壓。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，我們進行模塊化設計，即采用8個LED光條，每個光條含1個驅動器電路及8個LED。這樣LED總數即為64個，接近所要求的60個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，參見圖4。
f圖4：NCP3066驅動8個CREE XRE LED時的輸出電流與輸入電壓曲線圖。
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成本，以及如何利用安森美半導體靈活的NCP3066控制器來驅動電池供電的LED街燈及相關的設計策略，幫助客戶縮短太陽能LED街燈的設計過程，加快產品上市。
供稿：安森美半導體
