太阳能LED照明的能量转换解析

背景

太阳能照明的示例不胜枚举。无论是在电网不稳定的地区使用太阳能台灯作为夜间阅读的照明灯，还是对公共街道照明进行全面部署，对太阳/LED照明组合系统的需求都具有多样性、接受度高及全球化的特点。唯一不同之处仅在于最终应用的需求规模(阅读与一般照明的要求截然不同)。

所有此类系统的核心组件均包括：i) 太阳能电池;ii) 电池;iii) LED.如果采用更广义的描述，这些组件分别为：太阳能采集器(太阳能电池)、储能装置(电池)以及耗能装置(LED)。虽然这并不十分准确，但有助于突出分析的灵活性。图1a给出了最基本的系统配置。

图1:两种系统配置

不过，为使这种方案生效，每个组件的特性必须彼此兼容。对于本例而言，这意味着太阳能电池的输出电压/电流特性必须与电池的充电曲线匹配，电池的放电曲线必须满足LED的驱动要求。我们很快发现，图1(a)中的配置不能满足上述要求。

组件概述

回顾一下每个组件的性能特性，如图2(a到d)所示的伏安特性，我们发现，尽管可以在有限的配置集中使这些组件的特性相互接近，但几乎无法保证能达到合理的性能水平。我们很快发现，太阳能电池的电压(单片电池)最高为1V左右，而NiMH电池的工作电压介于0.9V与1.4V之间，而且虽然LED的正向电压通常高于3V,但需要恒流源。此外，NiMH电池为延长使用寿命，还有一些特殊的充电要求。

虽然可以开发相应系统直接连接所有组件，但应清楚，这种配置存在很大的局限性，并且会对系统整体效率与稳定性产生不利影响。

图2:组件伏安特性以及驱动要求要打破这些限制，我们可以看一下图1(b)所示的备选系统图。此系统配置在三大核心组件之间分别添加了电力电子接口，可大幅提高系统的灵活性，并且可以优化系统的整体性能。在此配置中，单片机并非必不可少。可以采用独立的电池充电器集成电路(IC)来满足NiMH充电曲线的要求，与此类似，可以采用LED驱动器IC将电池电压转换为恒流源。

但这种配置至少存在以下两方面缺点。第一，灵活性受到限制。所选器件的工作范围很可能比较窄，这会限制它们响应系统变化或客户需求的能力。例如，如果太阳能电池的配置发生变化，就需要更换电池充电IC.如果储能技术或配置发生变化，就很可能需要同时更换电池充电IC和LED驱动器IC.最后，如果LED的类型或配置发生变化，就需要重新配置LED驱动器IC.考虑到这些技术的革新速度，唯有灵活性达到标准才能更快地响应不断变化的需求。单片机的使用将能增强系统以致整个解决方案的灵活性。此时，如果硬件变化大，将并不需要重新进行大量的设计与验证工作，因为大部分的变化都能够在单片机内部实现。

第二个缺点体现在系统优化组件方面。通用的电池充电IC虽然很容易获得，但却很难找到包含最大峰值功率跟踪(MPPT)算法的电池充电IC,以最大程度输出太阳能电池的电量。离散型解决方案难以跟上技术革新的步伐。

建议的实现方案

要突破定制解决方案的限制，可以在系统中引入单片机，这样设计人员不仅能够充分利用各核心组件的增强性能，还可重复使用基本架构。图3给出了建议的实现方案。

图3:基于MCU的建议架构

图3所示的实现方案有三大优势。第一，可方便快速地对系统的各个方面进行优化。此解决方案包括以下四个主要系统：LED、电池、太阳能电池和电力电子器件。如上文所述，应对电池充电曲线加以控制，以提高电池的充电效率并延长其使用寿命。而整体充电效率还与太阳能电池的效率有关。将MPPT曲线整合到能量转换算法中可以提高太阳能à电能转换的总效率，在实现充电目标的同时，最终还能减小太阳能电池组的尺寸。

这会影响产品外形，设计人员因此有机会增强产品的视觉冲击力。同样，目标应用可能将灯光的质量确定为关键特性，如同用于阅读的应用那样。灯光质量取决于电流波形，这或许是对LED驱动电流有严格的容差要求，或许是要求包括调光功能。采用建议的实现方案，设计工程师可对组件效率以致系统整体稳定性及使用寿命的方方面面进行优化。

第二，该架构完全可扩展并可支持较宽的功率范围。用于阅读照明的便携式小巧台灯可以有一个太阳能电池、现成的NiMH充电电池以及几个驱动电流为20-75 mA的LED.该设计仅需更换一些功率传输组件(包括现成的功率MOSFET和变压器)，便可快速调整功率额定值，从而满足商业和公共安全照明的需求。例如，可增加太阳能电池的数量，用定制的电池组替代现成的NiMH电池，使用驱动电流为350 mA以上的高光强大电流LED.

第三大优势是平台的灵活性，设计人员可根据核心技术、用户需求或用户行为的变化快速进行调整。例如，可快速采用升级的太阳能电池或具有特殊驱动要求的新LED,从而加快推出新产品的速度。利用客户在使用这些产品过程中提出的反馈，还可能催生其他非核心功能的需求，例如通信(如串口转无线接口等)以及预测性诊断功能。因此，该解决方案不仅能够根据变化条件进行调整以及优化性能，还能够告知用户自身的相对健康状况并预测何时需要维护。

结论

如同大多数新兴技术那样，我们并不总是能确定其发展方向。但两种新兴技术(如PV太阳能电池和LED)一旦融合基于单片机的功率转换器方案的灵活性，就必定能快速实现应用改善，满足客户的需求。