太阳能LED路灯的充放电电路的制作方法

本实用新型属于城市道路照明设施技术领域，具体提供了一种太阳能LED路灯的充放电电路。

背景技术：

随着城市化进程的加快,城市道路照明设施的规模也在不断扩大。近些年来,大功率LED光源在照明市场的前景已备受全球瞩目。LED是低压直流器件,与传统光源相比,具有光效高、寿命长、体积小、绿色环保等优点。大功率LED的光效在901m/W以上,LED正有成为未来光源的趋势。

LED是低压直流器件,该特性使得太阳能、风能等可再生能源能很方便地为LED提供电源。光伏技术的发展,给太阳能在照明领域的应用带来了非常广阔的前景,而太阳能在路灯照明领域的应用,亦能大大降低路灯对电网的依赖,缓解电网的用电压力。高光效绿色LED光源与可再生能源相结合,无疑是实施能源节约、减少资源浪费、满足人们生活要求的城市照明科学解决方案。

充电控制是太阳能LED路灯的基本功能，当阳光充足，太阳能板电压高过蓄电池电压时，启动对蓄电池的充电过程；当阳光暗淡，太阳能板电压低于蓄电池电压时，关闭对蓄电池的充电过程。但传统的控制方式仅使用一个二极管来实现充电控制功能，而二极管压降较大，额定电流偏低，在蓄电池充电过程中，最大充电电流可能会达到10A，因此，二极管方案显然存在不足之处；而放电电路主要负责蓄电池对LED负载的放电过程。LED是典型的非线性元件，当LED两端的电压较低时，LED处于截止状态。当电压达到一定幅度时，LED即会导通发光，此时两端电压稍微增加，导通电流就会明显提升，如果不对导通电流加以限制，LED很容易过流烧坏。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种太阳能LED路灯的充放电电路，以实现当阳光充足，太阳能板电压高过蓄电池电压时，启动对蓄电池的充电过程；当阳光暗淡，太阳能板电压低于蓄电池电压时，关闭对蓄电池的充电过程；以及利用放电电路对导通电流加以限制，达到保护LED不被过流烧坏的目的，同时对蓄电池和太阳能电池板提供反接保护。

为达上述目的，本实用新型提供了一种包括电源模块、充电模块以及放电模块的太阳能LED路灯的充放电电路。所述电源模块分别与充电模块、放电模块连接，其中放电模块的输出端连接LED负载接口，充电模块的输入端连接太阳能板接口，电源模块、充电模块以及放电模块分别与蓄电池连接；所述电源模块包括输入端与蓄电池的输出端连接用于实现将蓄电池的输出电压转换为输出电压值为10V直流电的LM2940-10V降压稳压芯片电路；所述充电模块采用两个镜像对称的N沟道MOSFET实现充电控制功能，其中MOSFET选用IRF3205场效应管；所述放电模块通过BOOST电路实现。

上述LM2940-10V降压稳压芯片电路包括LM2940-10V降压稳压芯片，LM2940-10V降压稳压芯片的1脚与极性电容C4的正极连接，该极性电容C4的负极与LM2940-10V降压稳压芯片的2脚连接，LM2940-10V降压稳压芯片的3脚通过电容C11与其2脚连接，2脚同时接地，其1脚作为电压输入端同时与蓄电池连接，LM2940-10V降压稳压芯片的3脚输出IRF3205场效应管所需的10V直流电压。

该太阳能LED路灯的充放电电路还设有蓄电池反接保护电路，该电路包括一稳压二极管D17以及N沟道MOSFET Q19，其中D17的正极接地，同时连接电阻R41的一端，D17的负极连接R41的另一端以及Q19的栅极，D17的负极还同时经电阻R40连接蓄电池，D17的正极还连接Q19的源极，Q19的源极和漏极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极连接。

上述充电模块包括N沟道MOSFET Ql和Q2，其中Ql的漏极和Q2的漏极相连接，Ql和Q2各自的漏极和源极之间分别连接有稳压二极管，其中稳压二极管的正极与源极连接；Ql的栅极与源极之间连接有稳压二极管D3，其中D3的正极与Ql的源极连接；Ql的源极还分别连接有二极管D4的负极以及稳压二极管D2的正极以及极性电容C1的负极；其中二极管D4的正极分别连接有电阻R3以及电阻R5，电阻R3的另一端连接太阳能电池板电压输出端以及电阻R4和R27，电阻R4和R27的另一端与蓄电池输出端连接，且该端同时通过串联的R7以及R8接地，同时R8的两端还并联有电容C3；电阻R5的另一端分别连接有电阻R6、电容C2以及稳压二极管D6的负极，电阻R6、电容C2的另一端以及稳压二极管D6的正极分别接地；所述稳压二极管D2的负极与极性电容C1的正极连接，同时与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与太阳能电池板电压输出端连接，太阳能电池板电压输出端与Ql的源极之间还串联有双向瞬态抑制二极管TVS。

上述N沟道MOSFET Ql的驱动电路包括一二极管D8，该二极管D8的正极连接PNP型三极管Q4的集电极，该PNP型三极管Q4的发射极连接LM2940-10V降压稳压芯片电路输出的10V直流电压，Q4的发射极和基极之间连接有电阻R11，Q4的基极还通过电阻R10连接NPN型三极管Q3的集电极，Q3的发射极接地，Q3的基极与电阻R9连接；二极管D8的负极通过电阻R12连接NPN型三极管Q5的基极，Q5的发射极与基极之间连接有电阻R13，Q5的集电极连接电阻R14；Q5的发射极与PNP型三极管Q6的集电极连接，Q6的基极同时连接Q5的集电极以及NPN型三极管Q7的基极；Q7的基极和集电极之间连接电阻R14；Q7的发射极同时连接Q6的发射极及电阻R15；所述N沟道MOSFET Q2的驱动电路包括一NPN型三极管Q11，Q11的基极连接电阻R29，R29的另一端连接电阻R28，Q11的发射极接地，Q11的集电极连接电阻R19的一端，Q11的发射极还连接PNP型三极管Q13的集电极，Q13的基极分别连接Q11的集电极以及NPN 型三极管Q12的基极，Q12的集电极连接R19的另一端，Q12的发射极同时连接Q13的发射极以及电阻R20。

上述放电模块通过BOOST电路实现，该电路包含N沟道MOSFET Q18和Q17，其中Q17的漏极和源极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极相连，Q17的源极即通过电阻R23接地，Q17的漏极通过电感L1连接蓄电池；Q17的漏极还连接二极管D11的正极，D11的负极连接极性电容C9的正极，极性电容C9的负极接地；二极管D11的负极还通过依次串联的电阻R25以及R26接地，其中R26的两端还同时并联有稳压二极管D12以及电容C8；所述N沟道MOSFET Q17的漏极和源极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极相连，Q17的源极通过电阻R24接地。

上述N沟道MOSFET Q18和Q17的驱动电路相同，N沟道MOSFET Q18的驱动电路包括一NPN型三极管Q11，Q11的基极连接电阻R29，R29的另一端连接电阻R28，Q11的发射极接地，Q11的集电极连接电阻R19的一端，Q11的发射极还连接PNP型三极管Q13的集电极，Q13的基极分别连接Q11的集电极以及NPN型三极管Q12的基极，Q12的集电极连接R19的另一端，Q12的发射极同时连接Q13的发射极以及电阻R20。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型能够实现当阳光充足，太阳能板电压高过蓄电池电压时，启动对蓄电池的充电过程；当阳光暗淡，太阳能板电压低于蓄电池电压时，关闭对蓄电池的充电过程；以及利用放电电路对导通电流加以限制，达到了保护LED不被过流烧坏的目的，同时对蓄电池和太阳能电池板提供了反接保护。

本实用新型的具体技术优势包括如下内容：

1)能够控制太阳能板对蓄电池的充电过程，并能在充电过程中，防止充电电流过大以及避免蓄电池的过充电。

2)能够控制蓄电池对LED负载的放电过程。在放电过程中，按要求功 率驱动负载，避免蓄电池的放电过流或欠压放电。

3)具有如蓄电池反接保护、太阳能板反接保护等。

4)电源模块的LM2940外围电路非常简单，因此有利于减小PCB板的大小，同时提供的电源电压稳定可靠。

5)在工业级工作温度范围内能正常稳定工作。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的总体电路框图；

图2是处理器电路原理图；

图3是Q1驱动电路原理图；

图4是Q17驱动电路原理图；

图5是充电电路原理图；

图6是蓄电池反接保护电路原理图；

图7是充电电流检测电路原理图；

图8是放电电路原理图；

图9是产生12V和3.3V直流电的电源电路原理图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种太阳能LED路灯的充放电电路，包括电源模块、充电模块以及放电模块，所述电源模块分别与充电模块、放电模块连接，其中放电模块的输出端连接LED负载接口，充电模块的输入端连接太阳能板接口，电源模块、充电模块以及放电模块分别与蓄电池连接，具体可参照图1所示。所述电源模块包括输入端与蓄电池的输出端连接用于实现将蓄电池的输出电压转换为输出电压值为10V直流电的LM2940-10V降压稳压芯片电路；所述充电模块采用两个镜像对称的N沟道MOSFET实现充电控制功能，其中MOSFET选用IRF3205场效应管；所述放电模块通过 BOOST电路实现。本实用新型的工作电压来自于蓄电池。

为配合本实用新型电路的工作，路灯中需设有控制电路主模块，主模块可选用了STC12LE5616AD处理器，该处理器可提供七路A/D转换接口，这七路A/D转换接口将分别用于采样太阳能板电压、蓄电池电压、LED负载电压、充电电流、LED负载电流、蓄电池放电电流以及环境温度；该处理器提供有一路PWM输出，用于BOOST电路控制信号。该处理器是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。因此STC12LE5616AD处理器完个满足控制电路的需求。同时，STC12LE5616AD仅需很少的外围器件，就可以保证处理器的正常稳定工作，该部分电路如图2所示。

下面将对本实用新型的电路各部分进行详细陈述。

1、电源模块的设计

本实用新型的工作电源完全来自于蓄电池电压，参照控制电路的性能指标要求，控制电路需对蓄电池12V系统或24V系统自适应，因此电源模块的输入电压为DC 11V～26V宽范围。电源模块需提供DC 10V与DC 3.3V电源，10V电源用于驱动MOSFET的有效导通，3.3V电源用作主模块的供电电源；本实用新型采用LM2940-10V降压稳压芯片来实现输入电压到DC 10V电压的转换。LM2940提供最大1A的带载能力，当输入电压在DC 11V～26V大范围内变化时，LM2940都能准确输出DC 10V电压，而且具备过压、过流以及反接等保护功能。LM2940外围电路非常简单，仅需要两个滤波电容，因此有利于减小PCB板的大小。本实用新型选择了TO-263封装的LM2940芯片。所述LM2940-10V降压稳压芯片电路包括LM2940-10V降压稳压芯片，LM2940-10V降压稳压芯片的1脚与极性电容C4的正极连接，该极性电容C4的负极与LM2940-10V降压稳压芯片的2脚连接，LM2940-10V降压稳压芯片的3脚通过电容C11与其2脚连接，2脚同时接地，其1脚作为电压输入端同时与蓄电池连接，LM2940-10V降压稳压芯片的3脚输出IRF3205场效应管所需的10V直流电压。

本实用新型采用LM1117-3.3V芯片，进一步从DC 10V电源中获得DC 3.3V电源。所述LM1117-3.3V降压稳压芯片电路包括LM1117-3.3V降压稳压芯片，LM1117-3.3V降压稳压芯片的1脚和2脚之间并联有电容C20和C21，LM1117-3.3V降压稳压芯片的3脚和2脚之间并联有电容C16和C17，其2脚接地，其1脚作为电压输入端与LM2940-10V降压稳压芯片的3脚连接，LM1117-3.3V降压稳压芯片的3脚输出用于主模块供电的3.3V直流电压。LM1117芯片输出电压精度为±1％，拥有高达800mA的稳定能力，并具有过流、过热保护能力。其中电源电路如图9所示。

2、充电模块设计

充电模块是太阳能板与蓄电池之间的桥梁。充电模块需要具备以下几项功能：①充电控制；②蓄电池反接保护；③太阳能板反接保护；④蓄电池、太阳能板电压检测；⑤充电电流检测。

充电控制是充电模块的基本功能。当阳光充足，太阳能板电压高过蓄电池电压时，启动对蓄电池的充电过程；当阳光暗淡，太阳能板电压低于蓄电池电压时，关闭对蓄电池的充电过程。传统的控制方式仅使用一个二极管来实现充电控制功能，但二极管压降较大，额定电流偏低，在蓄电池充电过程中，最大充电电流可能会达到10A，因此，二极管方案显然存在不足之处。在本实用新型的充电模块设计中，采用两个镜像对称的N沟道MOSFET来实现充电控制功能。MOSFET选用IRF3205场效应管，IRF3205在VGS＝10V的条件下，RDS仅为8mΩ，额定电流能达到80A。在实际应用中发现，IRF3205的导通压降不到0.1V，而且发热量非常小。该部分电路图如图5所示，充电模块包括N沟道MOSFET Ql和Q2，其中Ql的漏极和Q2的漏极相连接，Ql和Q2各自的漏极和源极之间分别连接有稳压二极管，其中稳压二极管的正极与源极连接；Ql的栅极与源极之间连接有稳压二极管D3，其中D3的正极与Ql的源极连接；Ql的源极还分别连接有二极管D4的负极以及稳压二极管D2的正极以及极性电容C1的负极；其中二极管D4的正极分别连接有电阻R3以及电阻R5，电阻R3的另一端连接 太阳能电池板电压输出端以及电阻R4和R27，电阻R4和R27的另一端与蓄电池输出端连接，且该端同时通过串联的R7以及R8接地，同时R8的两端还并联有电容C3；电阻R5的另一端分别连接有电阻R6、电容C2以及稳压二极管D6的负极，电阻R6、电容C2的另一端以及稳压二极管D6的正极分别接地；所述稳压二极管D2的负极与极性电容C1的正极连接，同时与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与二极管D1的负极连接，二极管D1的正极与太阳能电池板电压输出端连接，太阳能电池板电压输出端与Ql的源极之间还串联有双向瞬态抑制二极管TVS。

其中N沟道MOSFET Ql，Q2实现充电控制功能。当太阳能板电压大于蓄电池电压时，由于Q2MOSFET寄生二极管的作用，仅Q2一个MOSFET并不能控制充电电路的有效通断，因此需要引入Q1，由两个MOSFET合作完成电路的通断控制。Q1的栅极电压来源于Vmos，而Vmos取自太阳能板，因此当太阳能板反接时，Q1将无法得到正向的栅源偏置电压，无法导通，由此实现了太阳能板的反接保护功能。P6KE68CA是双向瞬态抑制二极管(TVS)，瞬态抑制二极管对电路中瞬间出现的浪涌电压脉冲起到分流、箝位的作用，可以有效保护电子设备免受雷击或静电放电(ESD)等快速瞬态电压的破坏，为输入/输出接口提供理想的保护方案。P6KE68CA的截止电压为68V，峰值功率(1ms)可达600W，对抑制瞬态脉冲有明显的作用。R7，R8的电阻分压网络，用于蓄电池电压检测。R3,R5,R6,D4完成太阳能板的电压检测。当蓄电池处于充电状态时，太阳能板的电压会被大幅拉低，因此充电状态下无需进行太阳能板电压的检测。在非充电状态下，Q1，Q2作用将充电回路断开，标号AD5处电压值VAD5与太阳能板电压Vsolar之间存在线性关系：VAD5＝(Vbattery-Vsolar+0.7)R6/(R5+R6),其中，Vbattery为蓄电池电压，0.7V是对二极管D4的电压估计。D4的作用是防止太阳能板反接时，过高的电压被引入单片机AD口。当太阳能板电压大于蓄电池电压时，D6正向导通，单片机AD口的检测值将为零。蓄电池的反接保护由另一N沟道MOSFET完成，其原理与太阳能板的反接保护类似， 该部分电路见图6所示，该电路包括一稳压二极管D17以及N沟道MOSFET Q19，其中D17的正极接地，同时连接电阻R41的一端，D17的负极连接R41的另一端以及Q19的栅极，D17的负极还同时经电阻R40连接蓄电池，D17的正极还连接Q19的源极，Q19的源极和漏极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极连接。

在图5中，R4,R27是两个2025封装的小阻值电阻，用于釆样充电电流。电流流经采样电阻，产生微小压降，再由INA193芯片将电压信号放大。INA193在采样端允许-16V～36V的电压输入，支持500kHz的采样频率以及最大仅900μA的低电流消耗。INA193能将差分输入电压信号放大20倍。该部分电路如图7所示。

3、放电模块的设计

放电模块主要负责蓄电池对LED负载的放电过程。LED又称发光二极管，是典型的非线性元件。当LED两端的电压较低时，LED处于截止状态。当电压达到一定幅度时，LED即会导通发光，此时两端电压稍微增加，导通电流就会明显提升，如果不对导通电流加以限制，LED很容易过流烧坏，因此放电模块对LED负载采用了恒流控制方式。放电模块通过BOOST电路实现，由BOOST电路升压恒流驱动LED负载，如图8所示，放电模块包含N沟道MOSFET Q18和Q17，其中Q17的漏极和源极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极相连，Q17的源极即通过电阻R23接地，Q17的漏极通过电感L1连接蓄电池；Q17的漏极还连接二极管D11的正极，D11的负极连接极性电容C9的正极，极性电容C9的负极接地；二极管D11的负极还通过依次串联的电阻R25以及R26接地，其中R26的两端还同时并联有稳压二极管D12以及电容C8；所述N沟道MOSFET Q17的漏极和源极之间连接有稳压二极管，该稳压二极管的正极与其源极相连，Q17的源极通过电阻R24接地。BOOST电路的性能直接影响到控制电路的能量转换效率、发热量以及使用寿命。图中，MOSFET Q18控制LED负载的通断，Q17控制BOOST电路的运行。R23，R24是两个采样电阻，R23 用于采样蓄电池放电电流峰值，R24用于采样LED负载电流，电流采样方式与充电电流类似，在此不再赞述。

BOOST电路是一种开关直流升压电路，它分为充电、放电两个工作过程。在充电过程中，Q17闭合，此时输入电流流经电感，通过Q17到地，由于输入为直流电，所以电感上的电流以一定的速率线性增加，这个速率与输入电压以及电感大小有关。随着电感电流的增加，电感中积累了一定的能量，当Q17断开时，进入BOOST电路的放电过程，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会立即降为零，而会对LED负载以及电容C9放电，并抬高输出端的电压。BOOST电路的工作过程就是电感不断吸收能量释放能量的过程。如若输出电容C9足够大，就能在LED负载上保持稳定的电流。二极管D11能够防止Q17导通过程中电容C9的对地放电。Q17的驱动信号频率是由处理器的PWM频率决定的。PWM频率可以有多种选择，本实用新型中，PWM频率f满足关系式：f＝fosc/(2×256)；其中，fosc是时钟频率，此处为11.0592MHz，计算可得PWM频率为21.6MHz。

在实际应用中，要求控制电路能带动60W甚至80W负载，60W对应的典型负载为6并10串的LED灯具，额定工作电压30V，额定工作电流2A。从以上BOOST电路可以达到调整Q17栅极电压的占空比，进而控制电感中的电流，进而控制LED负载的电流。

4、驱动模块设计

在控制电路的电路设计中，共有4个N沟道MOSFET需要提供驱动，它们是充电模块中的Q1，Q2,以及放电模块中的Q17，Q18。除Q1之外，其他三个MOSFET的驱动电路类似，以Q17的驱动电路为例，其驱动电路如图4所示，该驱动电路包括一NPN型三极管Q11，Q11的基极连接电阻R29，R29的另一端连接电阻R28，Q11的发射极接地，Q11的集电极连接电阻R19的一端，Q11的发射极还连接PNP型三极管Q13的集电极，Q13的基极分别连接Q11的集电极以及NPN型三极管Q12的基极，Q12的集电极连接R19的另一端，Q12的发射极同时连接Q13的发射极以及电阻R20； 该驱动电路的作用是将处理器输出的3.3V PWM信号转换成10V PWM信号，同时保持PWM波形的规范性、完整性，从而能有效地控制MOSFET的开通与关断。在图4中使用了R28上拉电阻，从而使默认情况下的Q17处于关断状态，保证了BOOST电路在不工作状态下的安全。Q17是BOOST电路的关键，在实际应用中，Q17的栅极电压PWM波形很容易产生畸变，通过适当调整图4中电阻值的大小，可以在一定程度上改善电路的驱动性能。

Q1的驱动电路比较特殊，因为Q1的源极电压为太阳能板的负端电压，与处理器控制信号对应的地电位不同。该部分驱动电路见图3，该N沟道MOSFET Ql的驱动电路包括一二极管D8，该二极管D8的正极连接PNP型三极管Q4的集电极，该PNP型三极管Q4的发射极连接LM2940-10V降压稳压芯片电路输出的10V直流电压，Q4的发射极和基极之间连接有电阻R11，Q4的基极还通过电阻R10连接NPN型三极管Q3的集电极，Q3的发射极接地，Q3的基极与电阻R9连接；二极管D8的负极通过电阻R12连接NPN型三极管Q5的基极，Q5的发射极与基极之间连接有电阻R13，Q5的集电极连接电阻R14；Q5的发射极与PNP型三极管Q6的集电极连接，Q6的基极同时连接Q5的集电极以及NPN型三极管Q7的基极；Q7的基极和集电极之间连接电阻R14；Q7的发射极同时连接Q6的发射极及电阻R15。其中D8的作用是防止太阳能板反接时发生电流倒灌。当处理器的控制信号mos1为低电平时，Q3，Q4均工作于截止区，此时Q5得不到正向的发射极偏置电压，亦工作于截止区，输出Dmos1电压为Vmos电压，从而导通MOSFET Q1。当处理器的控制信号mosl为高电平时，Q3、Q4均工作于饱和区，此时Q5得到了正向的发射极偏置电压，亦工作于饱和区，输出Dmosl电压为SolarGND电压，从而关断MOSFET Q1。

综上，本实用新型能够实现当阳光充足，太阳能板电压高过蓄电池电压时，启动对蓄电池的充电过程；当阳光暗淡，太阳能板电压低于蓄电池电压时，关闭对蓄电池的充电过程；以及利用放电电路对导通电流加以限 制，达到了保护LED不被过流烧坏的目的，同时对蓄电池和太阳能电池板提供了反接保护。

本实用新型的具体技术优势包括如下内容：

1)能够控制太阳能板对蓄电池的充电过程。并能在充电过程中，防止充电电流过大以及避免蓄电池的过充电。

2)能够控制蓄电池对LED负载的放电过程。在放电过程中，按要求功率驱动负载，避免蓄电池的放电过流或欠压放电。

3)具有如蓄电池反接保护、太阳能板反接保护等。

4)电源模块的LM2940外围电路非常简单，仅需要两个滤波电容，因此有利于减小PCB板的大小，同时提供的电源电压稳定可靠。

5)在工业级工作温度范围内能正常稳定工作。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。