太陽能LED照明的能量轉(zhuǎn)換

　　隨著技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）和太陽能光伏電池的性能得到顯著提高，這進(jìn)而有助于提升最終應(yīng)用的性能。對(duì)于同時(shí)采用這兩種技術(shù)的應(yīng)用（如太陽能照明應(yīng)用），這兩大核心技術(shù)的進(jìn)步將大大增強(qiáng)改善最終應(yīng)用性能的潛力。此時(shí)，由于太陽能電池效率更高，可將更多的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，因此可減小所需太陽能電池的面積，促使高效LED的夜間照明時(shí)間更長，燈光也更明亮。不過，太陽能照明解決方案制造商面臨的挑戰(zhàn)將是如何能夠快速且經(jīng)濟(jì)高效地利用技術(shù)進(jìn)步的成果。最大程度發(fā)揮系統(tǒng)性能的其中一個(gè)辦法是利用能量轉(zhuǎn)換策略。借助堅(jiān)實(shí)的能量轉(zhuǎn)換策略，用戶能夠快速開發(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，開發(fā)系統(tǒng)，并介紹一種分析系統(tǒng)特性的高級(jí)方法。

　　背景

　　太陽能照明的示例不勝枚舉。無論是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)使用太陽能臺(tái)燈作為夜間閱讀的照明燈，還是對(duì)公共街道照明進(jìn)行全面部署，對(duì)太陽/LED照明組合系統(tǒng)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(yīng)用的需求規(guī)模（閱讀與一般照明的要求截然不同）。

　　所有此類系統(tǒng)的核心組件均包括：i） 太陽能電池；ii） 電池；iii） LED。如果采用更廣義的描述，這些組件分別為：太陽能采集器（太陽能電池）、儲(chǔ)能裝置（電池）以及耗能裝置（LED）。雖然這并不十分準(zhǔn)確，但有助于突出分析的靈活性。圖1a給出了最基本的系統(tǒng)配置。

　　圖1：兩種系統(tǒng)配置

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

　　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(xiàn)，盡管可以在有限的配置集中使這些組件的特性相互接近，但幾乎無法保證能達(dá)到合理的性能水平。我們很快發(fā)現(xiàn)，太陽能電池的電壓（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電池為延長使用壽命，還有一些特殊的充電要求。

　　雖然可以開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)直接連接所有組件，但應(yīng)清楚，這種配置存在很大的局限性，并且會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體效率與穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

　　圖2：組件伏安特性以及驅(qū)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(tǒng)圖。此系統(tǒng)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(tǒng)的靈活性，并且可以優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能。在此配置中，單片機(jī)并非必不可少?？梢圆捎锚?dú)立的電池充電器集成電路（IC）來滿足NiMH充電曲線的要求，與此類似，可以采用LED驅(qū)動(dòng)器IC將電池電壓轉(zhuǎn)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(yīng)系統(tǒng)變化或客戶需求的能力。例如，如果太陽能電池的配置發(fā)生變化，就需要更換電池充電IC。如果儲(chǔ)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(qū)動(dòng)器IC。最后，如果LED的類型或配置發(fā)生變化，就需要重新配置LED驅(qū)動(dòng)器IC?？紤]到這些技術(shù)的革新速度，唯有靈活性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)才能更快地響應(yīng)不斷變化的需求。單片機(jī)的使用將能增強(qiáng)系統(tǒng)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(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，因?yàn)榇蟛糠值淖兓寄軌蛟趩纹瑱C(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

　　第二個(gè)缺點(diǎn)體現(xiàn)在系統(tǒng)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(xiàn)方案

　　要突破定制解決方案的限制，可以在系統(tǒng)中引入單片機(jī)，這樣設(shè)計(jì)人員不僅能夠充分利用各核心組件的增強(qiáng)性能，還可重復(fù)使用基本架構(gòu)。圖3給出了建議的實(shí)現(xiàn)方案。

　　圖3：基于MCU的建議架構(gòu)

　　圖3所示的實(shí)現(xiàn)方案有三大優(yōu)勢(shì)。第一，可方便快速地對(duì)系統(tǒng)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(tǒng)：LED、電池、太陽能電池和電力電子器件。如上文所述，應(yīng)對(duì)電池充電曲線加以控制，以提高電池的充電效率并延長其使用壽命。而整體充電效率還與太陽能電池的效率有關(guān)。將MPPT曲線整合到能量轉(zhuǎn)換算法中可以提高太陽能電能轉(zhuǎn)換的總效率，在實(shí)現(xiàn)充電目標(biāo)的同時(shí)，最終還能減小太陽能電池組的尺寸。

　　這會(huì)影響產(chǎn)品外形，設(shè)計(jì)人員因此有機(jī)會(huì)增強(qiáng)產(chǎn)品的視覺沖擊力。同樣，目標(biāo)應(yīng)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(yīng)用那樣。燈光質(zhì)量取決于電流波形，這或許是對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流有嚴(yán)格的容差要求，或許是要求包括調(diào)光功能。采用建議的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)工程師可對(duì)組件效率以致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性及使用壽命的方方面面進(jìn)行優(yōu)化。

　　第二，該架構(gòu)完全可擴(kuò)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(tái)燈可以有一個(gè)太陽能電池、現(xiàn)成的NiMH充電電池以及幾個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為20-75 mA的LED。該設(shè)計(jì)僅需更換一些功率傳輸組件（包括現(xiàn)成的功率MOSFET和變壓器），便可快速調(diào)整功率額定值，從而滿足商業(yè)和公共安全照明的需求。例如，可增加太陽能電池的數(shù)量，用定制的電池組替代現(xiàn)成的NiMH電池，使用驅(qū)動(dòng)電流為350 mA以上的高光強(qiáng)大電流LED。

　　第三大優(yōu)勢(shì)是平臺(tái)的靈活性，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)核心技術(shù)、用戶需求或用戶行為的變化快速進(jìn)行調(diào)整。例如，可快速采用升級(jí)的太陽能電池或具有特殊驅(qū)動(dòng)要求的新LED，從而加快推出新產(chǎn)品的速度。利用客戶在使用這些產(chǎn)品過程中提出的反饋，還可能催生其他非核心功能的需求，例如通信（如串口轉(zhuǎn)無線接口等）以及預(yù)測(cè)性診斷功能。因此，該解決方案不僅能夠根據(jù)變化條件進(jìn)行調(diào)整以及優(yōu)化性能，還能夠告知用戶自身的相對(duì)健康狀況并預(yù)測(cè)何時(shí)需要維護(hù)。

　　結(jié)論

　　如同大多數(shù)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太陽能電池和LED）一旦融合基于單片機(jī)的功率轉(zhuǎn)換器方案的靈活性，就必定能快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用改善，滿足客戶的需求。

——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(shè)計(jì)欄目，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，違者必究！