專利名稱：高效led太陽能燈具控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高效LED太陽能燈具控制器，屬電子技術領域。 背條技術隨著節能環保觀念的深入和光伏技術的發展，太陽能照明系統越來越地應用到 街道、庭院、隧道等各個場合。LED作為一種綠色環保直流光源，以其壽命長、 響應速度快、低功耗等優點受到了人們的重視，被廣泛用于太陽能照明系統中。控制器是LED太陽能燈具的"心臟"，直接決定其工作效率和性能。目前，公 知的LED太陽能燈具控制器具有時控和光控功能，充電方式為直接充電，驅動方 式為直接驅動或脈沖驅動。直接充電方式在太陽能電池板電壓高于蓄電池電壓時， 將電池板與蓄電池直接相連；直接驅動利用蓄電池對LED直接供電，需要在電路 中串聯限流電阻，降低了系統效率；脈沖驅動利用LED的發光特性，在電路中增 加了 DC-DC變換器，以脈沖方式對LED供電，減小了系統損耗，并且能在其通 過的平均電流與直流電流相同時獲得更高的亮度。通常，太陽能電池板的輸出功率與其端電壓呈拋物線關系，并且隨著光強和溫 度而改變，而直接充電方式下，電池板端電壓被蓄電池嵌位在12V左右，沒有得 到最大限度的利用；為提高充電效率，需要在電池板和蓄電池之間加入DC-DC變 換器，根據實時的電池板功率特性曲線，控制其端電壓，實現電池板的最大功率 輸出，然而，由于電路和控制較復雜性、成本較高，現有的LED太陽能燈具控制器多未采用°
發明內容
本實用新型旨在提出一種新型的高效LED太陽能燈具控制器，利用LED 燈具的供電時間和蓄電池充電時間的交錯，分時復用同一個Buck-Boost雙向 DC-DC變換器，同時實現太陽能電池板的最大功率輸出和LED的脈沖式供電； 另外，該控制器可以根據蓄電池容量和用戶設定，自動調整LED發光亮度， 實現系統的高效運行。本實用新型的具體技術方案如下1. 白天，當太陽能電池板端電壓大于蓄電池電壓時，控制DC-DC變換器 對蓄電池進行充電。檢測太陽能電池板和蓄電池的端電壓，若太陽能電池板端電壓大于蓄電池 電壓，控制DC-DC變換器的占空比，同時檢測充電電流，根據太陽能電池板 的輸出功率和其端電壓的變化關系，判斷其是否處于最大功率輸出點，由判斷 結果變步長地改變DC-DC變換器的占空比，直到其運行在最大功率點。2. 夜晚，將Buck-Boost雙向DC-DC變換器切換到放電回路，控制其占空 比對LED燈具供電。根據太陽能電池板端電壓判斷是否進入黑夜，若進入黑夜，由智能芯片將 Buck-Boost雙向DC-DC變換器切換到放電回路對LED燈具供電，同時檢測流 過LED的電流，動態調整DC-DC變換器的占空比，實現LED燈具的恒流控 制，維持其亮度不變。3. 根據蓄電池電量和用戶設定，自動調整對LED燈具供電的DC-DC變換 器的占空比。觀測單位時間內蓄電池端電壓的變化率，判斷蓄電池的剩余容量，當剩余 容量較低時，減小對LED燈具供電的DC-DC變換器的占空比，此時LED亮 度降低，耗電量降低；也可根據用戶設定，若干小時后，降低LED燈具的亮 度，延長蓄電池的供電時間。 本實用新型的有益效果是1. 采用DC-DC變換器改變太陽能電池板端電壓，對蓄電池進行充電，可 以提髙太陽能電池板的利用率和系統的充電效率，從而延長LED燈具的供電 時間。2. 采用脈沖方式對LED燈具供電，可以在保持其亮度的基礎上，降低其損 耗，達到節能的目的；根據蓄電池剩余容量和用戶設定，動態調整LED亮度， 可以延長蓄電池的供電時間，有效地保護蓄電池。3. 分時復用同一個Buck-Boost雙向DC-DC變換器和電流傳感器，實現LED 太陽能燈具的充放電管理，提高了系統效率，減小了硬件成本。
圖1為高效LED太陽能燈具結構圖。圖2為LED太陽能燈具控制器主電路原理圖。圖3為微處理器程序流程圖。
具體實施例方式圖1為髙效LED太陽能燈具結構圖。由太陽能電池板1、控制器2、蓄電 池3和LED燈具4組成。控制器2包括微處理器5、信號處理及AD采樣電路 6、主電路7和人機接口電路8。太陽能電池板1、蓄電池3和LED燈具4都與控制器2相連。微處理器5 作為控制器2的核心，與信號處理及AD采樣電路6、主電路7和人機接口電 路8分別相連。信號處理及AD采樣電路6將太陽能電池板1和蓄電池3的端 電壓信號、充電電流信號、LED燈具4中的電流信號和溫度信號等調制后轉換 為數字信號送入微處理器5。主電路7由Buck-Boost雙向DC-DC變換器和充
放電切、換回路組成，實現對蓄電池的充電和對LED燈具的放電。人機接口電 路8是控制器和用戶的操作接口，響應用戶的操作信息，如LED供電時間、 供電亮度等。微處理器5根據信號處理及采樣電路6檢測的數字信息判斷 當前系統運行狀況，若處于白天且可以正常充電，則控制主電路7對蓄電池進 行充電，并且根據太陽能電池板的輸出功率和其端電壓的變化關系，判斷其是 否處于最大功率輸出點，由判斷結果變步長地改變DC-DC變換器的占空比， 實現太陽能電池板的最大功率充電；若處于黑夜，則控制主電路7將Buck-Boost 雙向DC-DC變換器切換到放電回路對LED燈具供電，同時檢測流過LED的 電流，動態調整DC-DC變換器的占空比，實現LED燈具的恒流控制，維持其 亮度不變；同時，微處理器5根據單位時間內蓄電池端電壓的變化率，判斷蓄 電池的剩余容量，當剩余容量較低時，減小對LED燈具供電的DC-DC變換器 的占空比，此時LED亮度降低，耗電量降低；也可根據用戶設定，控制LED 燈具工作時間，并在設定時間后，通過降低DC-DC變換器的占空比來降低LED 燈具的亮度，延長蓄電池的供電時間。圖2為LED太陽能燈具控制器主電路原理圖，是高效LED燈具控制器主電 路的一個設計實例。太陽能電池板的正負端PV+，PV-經過防反沖二極管Dl后，與由Mos管Ql，Q3， 電感LI組成的雙向DC-DC Buck-Boost變換器相連，DC-DC變換器的另一端 與蓄電池正負端BAT+，BAT-相連，通過對Q1，Q3的通斷控制實現太陽能電池板 最大功率輸出控制；二極管D2和保險絲FUSE1構成了防蓄電池反接電路;LED 燈具的正負端LEEH"，LED-經過由Mos管Q2，Q3,電感LI組成的雙向DC-DC Buck-Boost變換器與蓄電池正負端BAT+，BAT-相連，其中，Q3，L1為充放電分 時復用電路，充電時Q2關斷，放電時Ql關斷；C1，C2，C3為濾波電容；電流 采樣線圈Saml和采樣電阻R2構成了電流采樣電路，此電路也是分時復用的， 充放電時分別采樣充電電流和放電電流，采樣信號送入圖1中的信號處理及AD 采樣電路6;電阻R5，R7，R11，R12， R15，R16，三極管Q4，Q6構成了 Q2的驅動電 路，Q2的通斷由控制信號LEDconlN控制，控制信號LEDconIN來自微處理器; 電阻Rl為Q2的浪涌吸收電阻；D3為防Q2導通飽和的穩壓二級管，可以加 快Q2的關斷；同樣，電阻R8，R10，R17，R18，R19，R20，三極管Q7，Q9構成了 Ql 的驅動電路，Ql的通斷由控制信號ChaiBeIN控制，控制信號ChargeIN來自微 處理器；電阻R6為Ql的浪涌吸收電阻；D4為防Ql導通飽和的穩壓二級管， 可以加快Ql的關斷；電阻R3，R4，R9，R14三極管Q5,Q8構成了 Q3的驅動電路， Q3的通斷由控制信號DisChaigeIN控制，控制信號DisChargeIN來自微處理器； 電阻R13為Q3的浪涌吸收電阻；D5為防Q3導通飽和的穩壓二級管，可以加 快Q3的關斷；充電時，微處理器通過控制信號ChargeIN和DisChargeIN控制 Q1，Q3的通斷，實現太陽能電池板端電壓，實現最大功率充電，此時LEDConIN 為低電平，Q2關斷；放電時，微處理器通過控制信號LEDConIN和DisChargeIN 控制Q2，Q3的通斷，實現LED燈具的脈沖式供電，此時ChargeIN為低電平， Ql關斷；圖3為微處理器程序流程圖，是高效LED燈具控制器微處理器軟件流程的 一個設計實例。'圖3(a)為整體程序流程圖，由定義變量、初始化程序、清看門狗子程序、白 天處理子程序、夜晚處理子程序、空閑狀態處理子程序和各種定時處理子程序 組成。其中，白天處理子程序實現白天蓄電池的充電控制；夜晚處理子程序實 現夜晚點亮LED燈具的控制；空閑狀態處理子程序實現夜晚在LED燈具完成 設定時間照明后到白天這段時間的等待控制；各種定時處理子程序完成LED 燈具照明時間定時處理、其他時間定時處理等功能。圖3(6)為白天子程序流程圖，由AD采樣子程序、最大功率充電控制子程序
和PWM輸出子程序組成。其中AD采樣子程序完成太陽能電池板端電壓、蓄 電池端電壓、充電電流、環境溫度的采樣；若滿足充電條件(太陽能電池板端 電壓高于蓄電池端電壓)，最大功率充電控制程序根據采樣值計算太陽能電池 板的輸出功率和其端電壓的變化關系，判斷其是否處于最大功率輸出點，由判斷結果變步長地計算PWM的占空比；PWM輸出程序則根據計算的占空比輸 出PWM信號驅動Q1，Q3，實現太陽能電池板的最大功率充電。圖3(c)為夜晚子程序流程圖，由AD采樣子程序、蓄電池剩余容量判斷子程 序、用戶設定判斷子程序、定時器設定子程序、LED恒流輸出控制子程序、PWM 輸出子程序和PWM關斷子程序組成。AD采樣子程序完成蓄電池端電壓、放 電電流、環境溫度的采樣；蓄電池剩余容量判斷子程序根據單位放電時間內蓄 電池端電壓的變化率，判斷蓄電池的剩余容量，當剩余容量較低時，減小對LED 燈具照明亮度降低系統耗電量；用戶設定判斷子程序判斷用戶設定的照明時間 和降低照明亮度時間；定時器設定子程序為實現規定時間的照明提供時間參 考；LED恒流輸出控制子程序根據放電電流采樣值動態調整DC-DC變換器的 PWM導通占空比，維持放電電流恒定，保持LED燈具的照明亮度；PWM輸 出子程序根據計算的占空比輸出PWM信號驅動Q2，Q3;當規定照明時間到達 時，由PWM關斷子程序關斷PWM驅動信號，熄滅LED燈具。
權利要求
1、高效LED太陽能燈具控制器，包括以下部分信號處理及AD采樣電路、主電路、人機接口電路和微處理器；所述的信號處理及AD采樣電路將太陽能電池板和蓄電池的端電壓信號、充電電流信號、放電電流信號和溫度信號調制后轉換為數字信號送入微處理器；所述的主電路由Buck-Boost雙向DC-DC變換器和充放電切換回路組成，實現對蓄電池的充電和對LED燈具的放電；所述的人機接口電路是控制器和用戶的操作接口，響應用戶的操作信息；所述的微處理器負責整個系統的協調控制，包括充放電控制、用戶操作響應和系統保護。
2、 根據權利要求1所述的髙效LED太陽能燈具控制器，其特征在于，所 述的信號處理及AD采樣電路中的電流采樣電路為分時復用電路，白天用作充 電電流采樣，夜晚用作放電電流采樣。
3、 根據權利要求1所述的高效LED太陽能燈具控制器，其特征在于，所 述的主電路中的Buck-Boost雙向DC-DC變換器為分時復用電路，白天作為太 陽能電池板和蓄電池之間的充電回路，夜晚作為蓄電池和LED燈具之間的放 電回路。
4、 根據權利要求1所述的髙效LED太陽能燈具控制器，其特征在于，所 述的微處理器通過軟件實現最大功率充電和LED燈具脈沖放電，并且可以根 據蓄電池剩余容量和用戶設定，控制LED燈具照明時間和自動降低亮度的照 明時刻；充電時，根據太陽能電池板的輸出功率和其端電壓的變化關系，控制 DC-DC變換器的占空比，實現最大功率充電；放電時，控制DC-DC變換器的 占空比，實現LED燈具的恒流控制；蓄電池的剩余容量根據單位時間內蓄電 池端電壓的變化率來判斷。
全文摘要
本發明公開了一種高效LED太陽能燈具控制器，包括以下部分信號處理及AD采樣電路，負責將太陽能電池板和蓄電池的端電壓信號、充電電流信號、放電電流信號和溫度信號等調制后轉換為數字信號送入微處理器；主電路，由分時復用的Buck-Boost雙向DC-DC變換器、電流采樣電路、功率管的驅動電路和充放電切換回路組成，實現對蓄電池的充電和對LED燈具的放電；人機接口電路，作為控制器和用戶的操作接口，響應用戶的操作信息；微處理器，負責整個系統的協調控制，包括最大功率充電控制、LED燈具脈沖放電控制、響應用戶操作和系統保護。
文檔編號H05B37/02GK101166385SQ20071014288
公開日2008年4月23日 申請日期2007年8月2日 優先權日2007年8月2日
發明者飛 王, 華 耿, 郭希錚 申請人:耿 華;郭希錚;王 飛