太陽(yáng)能LED照明的能量轉換

　　隨著(zhù)技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）和太陽(yáng)能光伏電池的性能得到顯著(zhù)提高，這進(jìn)而有助于提升最終應用的性能。對于同時(shí)采用這兩種技術(shù)的應用（如太陽(yáng)能照明應用），這兩大核心技術(shù)的進(jìn)步將大大增強改善最終應用性能的潛力。此時(shí)，由于太陽(yáng)能電池效率更高，可將更多的太陽(yáng)能轉化為電能，因此可減小所需太陽(yáng)能電池的面積，促使高效LED的夜間照明時(shí)間更長(cháng)，燈光也更明亮。不過(guò)，太陽(yáng)能照明解決方案制造商面臨的挑戰將是如何能夠快速且經(jīng)濟高效地利用技術(shù)進(jìn)步的成果。最大程度發(fā)揮系統性能的其中一個(gè)辦法是利用能量轉換策略。借助堅實(shí)的能量轉換策略，用戶(hù)能夠快速開(kāi)發(fā)與部署充分利用最新技術(shù)的解決方案。在本文中，我們將檢視組件，開(kāi)發(fā)系統，并介紹一種分析系統特性的高級方法。

　　背景

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

　　所有此類(lèi)系統的核心組件均包括：i） 太陽(yáng)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(yáng)能采集器（太陽(yáng)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配置。

　　圖1：兩種系統配置

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

　　組件概述

　　回顧一下每個(gè)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，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(wú)法保證能達到合理的性能水平。我們很快發(fā)現，太陽(yáng)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(cháng)使用壽命，還有一些特殊的充電要求。

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

　　圖2：組件伏安特性以及驅動(dòng)要求

　　要打破這些限制，我們可以看一下圖1（b）所示的備選系統圖。此系統配置在三大核心組件之間分別添加了電力電子接口，可大幅提高系統的靈活性，并且可以?xún)?yōu)化系統的整體性能。在此配置中，單片機并非必不可少?？梢圆捎锚毩⒌碾姵爻潆娖骷呻娐罚↖C）來(lái)滿(mǎn)足NiMH充電曲線(xiàn)的要求，與此類(lèi)似，可以采用LED驅動(dòng)器IC將電池電壓轉換為恒流源。

　　但這種配置至少存在以下兩方面缺點(diǎn)。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(huì )限制它們響應系統變化或客戶(hù)需求的能力。例如，如果太陽(yáng)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(shí)更換電池充電IC和LED驅動(dòng)器IC。最后，如果LED的類(lèi)型或配置發(fā)生變化，就需要重新配置LED驅動(dòng)器IC?？紤]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以致整個(gè)解決方案的靈活性。此時(shí)，如果硬件變化大，將并不需要重新進(jìn)行大量的設計與驗證工作，因為大部分的變化都能夠在單片機內部實(shí)現。

　　第二個(gè)缺點(diǎn)體現在系統優(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(yáng)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(shí)現方案

　　要突破定制解決方案的限制，可以在系統中引入單片機，這樣設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。圖3給出了建議的實(shí)現方案。

　　圖3：基于MCU的建議架構

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

　　這會(huì )影響產(chǎn)品外形，設計人員因此有機會(huì )增強產(chǎn)品的視覺(jué)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驅動(dòng)電流有嚴格的容差要求，或許是要求包括調光功能。采用建議的實(shí)現方案，設計工程師可對組件效率以致系統整體穩定性及使用壽命的方方面面進(jìn)行優(yōu)化。

　　第二，該架構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(gè)太陽(yáng)能電池、現成的NiMH充電電池以及幾個(gè)驅動(dòng)電流為20-75 mA的LED。該設計僅需更換一些功率傳輸組件（包括現成的功率MOSFET和變壓器），便可快速調整功率額定值，從而滿(mǎn)足商業(yè)和公共安全照明的需求。例如，可增加太陽(yáng)能電池的數量，用定制的電池組替代現成的NiMH電池，使用驅動(dòng)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，設計人員可根據核心技術(shù)、用戶(hù)需求或用戶(hù)行為的變化快速進(jìn)行調整。例如，可快速采用升級的太陽(yáng)能電池或具有特殊驅動(dòng)要求的新LED，從而加快推出新產(chǎn)品的速度。利用客戶(hù)在使用這些產(chǎn)品過(guò)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（如串口轉無(wú)線(xiàn)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變化條件進(jìn)行調整以及優(yōu)化性能，還能夠告知用戶(hù)自身的相對健康狀況并預測何時(shí)需要維護。

　　結論

　　如同大多數新興技術(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(yáng)能電池和LED）一旦融合基于單片機的功率轉換器方案的靈活性，就必定能快速實(shí)現應用改善，滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)5月《綠色照明技術(shù)特刊》透視新設計欄目，轉載請注明出處，違者必究！