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太阳能LED街灯高能效驱动解决方案
来源:http://www.wzjol.com 责任编辑:www.k8.com 更新日期:2018-09-21 09:08

  太阳能LED街灯高能效驱动解决方案

   近年来,业界越来越重视运用可再生的清洁动力太阳能进行大街照明,太阳能面板的低光电变换能效是最大的市场化妨碍。那么,怎样才能最大程度地进步太阳能电池板的功率输出呢?规划师又该选用什么样的拓扑结构来完成90W的LED驱动体系?本文将详细通知你怎么完成一个高能效的90W太阳能LED街灯体系。

   M典型太阳能大街照明体系由太阳能电池板、充电操控器、蓄电池、光源以及灯杆等组成,如图1所示。而在照明光源方面,阅历了从白炽灯到荧光灯和高强度气体放电灯(HID)等三个重要阶段,如此前荧光灯和HID均已被用于太阳能街灯。

  

典型的太阳能供电大街照明体系示意图
 

   相比较而言,发光二极管(LED)被视作照明光源的第四个重要阶段。LED具有着高能效、超长作业寿数、低直流电压作业、宣布指向光、能够供给多种颜色及白光、细巧、具有固态器材的强固性、不含汞等很多优势,因而,业界越来越多地将LED用于太阳能大街照明。且LED的能效及光输出功用已大幅进步,揭露声称的最强白光LED研制才能现已到达132至136流明/瓦(lm/W),这种能效水平现已高于传统的荧光灯和HID金属灯。特别是到2008年,白光LED已完成大批量商业化出产,为LED更大规划地进军太阳能街灯运用打开了大门。

太阳能LED街灯高能效驱动解决方案

  图1:典型的太阳能供电大街照明体系示意图

   关于太阳能街灯而言,进步太阳能电池板的光电变换能效(现在仅为约30%)十分重要。太阳能电池板的电压-电流(V-I)特性曲线出现非线性和可变性,要从中汲取最大量的电能十分困难。这需求太阳能LED街灯的充电操控器及其它相关电子电路(一般选用微操控器来完成)尽可能选用有用的操控办法以进步能效,然后发挥最大优势。

   根本型的充电操控器规划用于维护电池免受过充或欠充影响,并避免反向电流。脉宽调制(PWM)型操控器会操控对电池充电的电量,并可完成细流充电 (trickle charge),然后维护电池并延伸运用寿数。而最新支撑最大峰值功率追寻(MPPT)功用的操控器能对太阳能电池不断改动的V/I特性曲线供给补偿,优化太阳能电池的功率输出,进步能效,并使蓄电池充电至优化电量。

   详细而言,当咱们实际上无法改动负载时,MPPT功用使太阳能电池以为负载正在发生改动;经过这种方法,MPPT诈骗太阳能板输出期望所得到的电压和电流,然后答应更多电能输入至蓄电池。

   在本文榜首部分,咱们介绍了典型太阳能大街照明体系的根本构成,以及能够用什么技能来进步太阳能电池板的变换能效,接下来咱们将介绍安森美半导体依据其CS51221增强型电压形式PWM操控器完成的针对太阳能板电池充电操控运用的详细解决方案。

   安森美半导体针对太阳能板电池充电操控运用解决方案,其间心选用CS51221增强型电压形式PWM操控器,支撑最大峰值功率追寻,输入电压为12至24 V,输出电流为12 V@2 A,并供给可调理逐脉冲限流、输入欠压确定和输出过压确定等维护特性。该操控器供给辅助输入端,用于长途传输和监控;能够习惯功率高至90 W的太阳能板运用。

安森美半导体CS51221操控器的太阳能板充电操控运用示意图
 

  图2:安森美半导体CS51221操控器的太阳能板充电操控运用示意图
 

   在运用电路中,需求针对CS51221挑选适宜的拓扑结构。所挑选的拓扑结构要能够在一个蓄电池的情况下将太阳能板输出电压降至12V,而在有两个或多个蓄电池情况下,也能容易修正,支撑升压至24 V。 CS51221自身能够装备为正激、反激或升压拓扑结构。安森美半导体针对太阳能板充电操控运用所推出的参阅规划中,挑选的是反激拓扑结构。

   在运用中,经过在ISET引脚动态地调理电流约束,然后完成最大峰值功率追寻功用。一旦输入电压逐脉冲下降,电流约束就会被下降,直至输入电压康复。这种方法消除了运用价格昂贵的微操控器(MCU)的需求。这样完成的充电操控器会发现峰值功率点并进行动态调理,使其契合不断改动的电源特性。

  

   经过选用最大峰值功率追寻技能,能够有约30%的额定电荷从太阳能板传输至蓄电池,这样就能够使太阳能街灯体系选用尺度更小的太阳能板。如在取得相同电能的情况下,能够选用带MPPT功用的60W功率太阳能板来代替选用根本充电操控器的90W功率太阳能板。依照输出每瓦电能需求约价值4美元的太阳能板来核算,功率削减30 W所带来的太阳能板本钱节约就可到达120美元,然后带来明显的本钱下降收益。
 

   在本文第二部分,咱们介绍了安森美半导体依据其CS51221增强型电压形式PWM操控器完成的针对太阳能板电池充电操控运用的详细解决方案,接下来咱们将介绍大功率LED驱动电路的规划战略。

   如前所述,在太阳能大街照明体系的光源方面,LED正在代替传统的荧光灯和高强度气体放电灯(HID)。HID包含金属卤化物灯(简称金卤灯)、高/低压钠灯和水银蒸气灯等多种类型,其间,凭借着相对较高的发光功率,金属卤化物灯运用得更为遍及。

   现在,跟着LED功用的快速进步,它在代替金卤灯方面显现出了更大潜力,要供给平等的光输出,所运用的LED数量将会更少,然后供给LED的经济适用性。以 100 W金卤灯为例,其均匀光输出流明数为3,500流明(lm),这功率等级所需求选用的LED数量在2007年是30个;估量到2012年,数量会削减到 20个!所以LED将具有越来越大的经济适用优势。

   为了因应LED功用快速进步的趋势,并保持规划在较长时期内的适用性,有必要选用一些有用的规划战略,如模块化代替、运用寿数周期剖析和物料清单(BOM)本钱下降等。

  

经过模块化LED途径代替金卤灯

  
图3:经过模块化LED途径代替金卤灯。

   首要,在模块化途径代替金卤灯光源方面,可使每个LED光条选用固定数量的LED。跟着LED在光输出等方面功用的继续进步,要供给相同的总光能输出,就能够运用更少的LED光条,然后下降需求运用的LED的本钱,参见图3。

   其次,在规划进程中,要有用地运用LED运用寿数周期剖析,然后提早预知可能的结果。例如,在选用现在市场上功用最高的LED进行原型规划方面,尽管相关的本钱较为昂扬,但跟着LED功用的进步及价格的下降,这种方法能够缔造出在未来较长时期内具有更高竞争力和更长运用寿数的产品。此外,跟着LED功用的进步及由此带来的单个规划用量削减,在LED驱动器规划方面也需求更好地规划相关的灵敏性,做到相应的BOM本钱下降。

   在本文第三部分,咱们介绍了大功率LED驱动电路的规划战略,接下来咱们将详细介绍怎么完成典型的90W太阳能街灯LED驱动规划。

   以一个典型的太阳能街灯LED驱动规划为例,咱们能够定出这样的方针:初始光输出为4,200 lm;光能效适用,选用单层光学器材;选用+12 V电池作业。

  与此相应,假定所运用的LED标准如下:

  输出:典型100 lm @ 350 mA @ 结温度(Tj)=25℃

  驱动电流:350 mA

  光电器材:单层,且耦合杰出,光学损耗仅为12%

  最高环境温度:40℃

  驱动器损耗:10% (方针能效90%)

   这样一来,咱们就首要需求估量LED数量及总功率。因为Tj=25℃时LED光输出为100 lm,而Tj升高时LED光输出会下降;Tj为90℃时,LED光输出会下降20%,即输出降为80 lm。因为光器材的光学损耗为12%,所以每个LED的光输出就为约71 lm。因为需求的总光能输出为4,200 lm,所以核算出的所需LED数量为约60个。相应的,总输出功率为:3.6 V(LED作业电压)×0.350 A(输出电流)×60(LED数量)=76 W。因为驱动器的员耗约为15%,所以灯具总功率约为8? W。

   而在拓扑结构方面,需求选用恒流架构来进行驱动。此外,需求能够依据不同LED数量来调理LED输出电流、满意较高能效要求、体系途径具有高性价比及易于完成。

   针对上述规划要求,能够选用安森美半导体的稳压器NCP3066来完成驱动解决方案。NCP3066是一款高亮度LED恒流降压稳压器,带专用启用引脚用于完成低待机能耗,具有均匀电流感测功用(电流精度与LED正向电压无关),供给0.2 V电压参阅,合适小尺度/低本钱感测电阻。该器材选用滞环操控,不需求环路补偿,易于规划。需求指出的是,NCP3066也可用作PWM操控器,如可选用 100 V外部N沟道FET来进行升压。针对4至30 W功率的不同运用,可供给不同MOSFET挑选。

   在规划途径上,咱们进行模块化规划,即选用8个LED光条,每个光条含1个驱动器电路及8个LED。这样LED总数即为6?个,挨近所要求的60个LED数量,能够供给所要求的功率及光输出,并具有极高的能效,参见图4。

NCP3066驱动8个CREE XRE LED时的输出电流与输入电压曲线

  图4:NCP3066驱动8个CREE XRE LED时的输出电流与输入电压曲线图。
 

   总结:本文讨论了怎么运用安森美半导体的CS51221充电操控器,并结合最大峰值功率追寻(MPPT)功用来最大极限进步太阳能电池板为LED街灯供电的能效及下降相关本钱,以及怎么运用安森美半导体灵敏的NCP3066操控器来驱动电池供电的LED街灯及相关的规划战略,协助客户缩短太阳能LED街灯的规划进程,加速产品上市。

  

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