太阳能LED街灯的挑战及安森美半导体高能效解决方案

0

近年来，业界越来越关注利用可再生的清洁能源太阳能进行街道照明。典型太阳能街道照明系统由太阳能电池板、充电控制器、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，经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。

图1：典型的太阳能供电街道照明系统示意图。

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、超长工作寿命、低直流电压工作、发出指向光、能够提供多种色彩及白光、小巧、具有固态器件的强固性、不含汞等众多优势，因此，业界越来越多地将LED用于太阳能街道照明。且LED的能效及光输出性能已大幅提升，公开宣称的最强白光LED研发能力已经达到132至136流明/瓦(lm/W)，这种能效水平已经高于传统的荧光灯和HID金属灯。特别是到2008年，白光LED已实现大批量商业化生产，为LED更大规模地进军太阳能街灯应用打开了大门。

采用最大峰值功率追踪技术提升太阳能板能效

对于太阳能街灯而言，提高太阳能电池板的光电转换能效(目前仅为约30%)非常重要。太阳能电池板的电压-电流(V-I)特性曲线呈现非线性和可变性，要从中吸取最大量的电能非常困难。这需要太阳能LED街灯的充电控制器及其它相关电子电路(一般采用微控制器来实现)尽可能采用有效的控制方法以提高能效，从而发挥最大优势。

基本型的充电控制器设计用于保护电池免受过充或欠充影响，并防止反向电流。脉宽调制(PWM)型控制器会控制对电池充电的电量，并可实现细流充电(trickle charge)，从而保护电池并延长使用寿命。而最新支持最大峰值功率追踪(MPPT)功能的控制器能对太阳能电池不断变化的V/I特性曲线提供补偿，优化太阳能电池的功率输出，提高能效，并使蓄电池充电至优化电量。

具体而言，当我们实际上无法改变负载时，MPPT功能使太阳能电池“认为”负载正在发生变化；通过这种方式，MPPT“欺骗”太阳能板输出希望所得到的电压和电流，从而允许更多电能输入至蓄电池。

安森美半导体针对太阳能板电池充电控制应用解决方案，其核心采用CS51221增强型电压模式PWM控制器，支持最大峰值功率追踪，输入电压为12至24 V，输出电流为12 V@2 A，并提供可调节逐脉冲限流、输入欠压锁定和输出过压锁定等保护特性。该控制器提供辅助输入端，用于远程传输和监控；能够适应功率高至90 W的太阳能板应用。

图2：安森美半导体CS51221控制器的太阳能板充电控制应用示意图。

在应用电路中，需要针对CS51221选择合适的拓扑结构。所选择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12 V,而在有两个或多个蓄电池情况下，也能轻易修改，支持升压至24 V。 CS51221本身能够配置为正激、反激或升压拓扑结构。安森美半导体针对太阳能板充电控制应用所推出的参考设计中，选择的是反激拓扑结构。

0