专利名称：高效led太阳能灯具控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高效LED太阳能灯具控制器，属电子技术领域。 背条技术随着节能环保观念的深入和光伏技术的发展，太阳能照明系统越来越地应用到 街道、庭院、隧道等各个场合。LED作为一种绿色环保直流光源，以其寿命长、 响应速度快、低功耗等优点受到了人们的重视，被广泛用于太阳能照明系统中。控制器是LED太阳能灯具的"心脏"，直接决定其工作效率和性能。目前，公 知的LED太阳能灯具控制器具有时控和光控功能，充电方式为直接充电，驱动方 式为直接驱动或脉冲驱动。直接充电方式在太阳能电池板电压高于蓄电池电压时， 将电池板与蓄电池直接相连；直接驱动利用蓄电池对LED直接供电，需要在电路 中串联限流电阻，降低了系统效率；脉冲驱动利用LED的发光特性，在电路中增 加了 DC-DC变换器，以脉冲方式对LED供电，减小了系统损耗，并且能在其通 过的平均电流与直流电流相同时获得更高的亮度。通常，太阳能电池板的输出功率与其端电压呈抛物线关系，并且随着光强和温 度而改变，而直接充电方式下，电池板端电压被蓄电池嵌位在12V左右，没有得 到最大限度的利用；为提高充电效率，需要在电池板和蓄电池之间加入DC-DC变 换器，根据实时的电池板功率特性曲线，控制其端电压，实现电池板的最大功率 输出，然而，由于电路和控制较复杂性、成本较高，现有的LED太阳能灯具控制器多未采用°
发明内容
本实用新型旨在提出一种新型的高效LED太阳能灯具控制器，利用LED 灯具的供电时间和蓄电池充电时间的交错，分时复用同一个Buck-Boost双向 DC-DC变换器，同时实现太阳能电池板的最大功率输出和LED的脉冲式供电； 另外，该控制器可以根据蓄电池容量和用户设定，自动调整LED发光亮度， 实现系统的高效运行。本实用新型的具体技术方案如下1. 白天，当太阳能电池板端电压大于蓄电池电压时，控制DC-DC变换器 对蓄电池进行充电。检测太阳能电池板和蓄电池的端电压，若太阳能电池板端电压大于蓄电池 电压，控制DC-DC变换器的占空比，同时检测充电电流，根据太阳能电池板 的输出功率和其端电压的变化关系，判断其是否处于最大功率输出点，由判断 结果变步长地改变DC-DC变换器的占空比，直到其运行在最大功率点。2. 夜晚，将Buck-Boost双向DC-DC变换器切换到放电回路，控制其占空 比对LED灯具供电。根据太阳能电池板端电压判断是否进入黑夜，若进入黑夜，由智能芯片将 Buck-Boost双向DC-DC变换器切换到放电回路对LED灯具供电，同时检测流 过LED的电流，动态调整DC-DC变换器的占空比，实现LED灯具的恒流控 制，维持其亮度不变。3. 根据蓄电池电量和用户设定，自动调整对LED灯具供电的DC-DC变换 器的占空比。观测单位时间内蓄电池端电压的变化率，判断蓄电池的剩余容量，当剩余 容量较低时，减小对LED灯具供电的DC-DC变换器的占空比，此时LED亮 度降低，耗电量降低；也可根据用户设定，若干小时后，降低LED灯具的亮 度，延长蓄电池的供电时间。 本实用新型的有益效果是1. 采用DC-DC变换器改变太阳能电池板端电压，对蓄电池进行充电，可 以提髙太阳能电池板的利用率和系统的充电效率，从而延长LED灯具的供电 时间。2. 采用脉冲方式对LED灯具供电，可以在保持其亮度的基础上，降低其损 耗，达到节能的目的；根据蓄电池剩余容量和用户设定，动态调整LED亮度， 可以延长蓄电池的供电时间，有效地保护蓄电池。3. 分时复用同一个Buck-Boost双向DC-DC变换器和电流传感器，实现LED 太阳能灯具的充放电管理，提高了系统效率，减小了硬件成本。
图1为高效LED太阳能灯具结构图。图2为LED太阳能灯具控制器主电路原理图。图3为微处理器程序流程图。
具体实施例方式图1为髙效LED太阳能灯具结构图。由太阳能电池板1、控制器2、蓄电 池3和LED灯具4组成。控制器2包括微处理器5、信号处理及AD采样电路 6、主电路7和人机接口电路8。太阳能电池板1、蓄电池3和LED灯具4都与控制器2相连。微处理器5 作为控制器2的核心，与信号处理及AD采样电路6、主电路7和人机接口电 路8分别相连。信号处理及AD采样电路6将太阳能电池板1和蓄电池3的端 电压信号、充电电流信号、LED灯具4中的电流信号和温度信号等调制后转换 为数字信号送入微处理器5。主电路7由Buck-Boost双向DC-DC变换器和充
放电切、换回路组成，实现对蓄电池的充电和对LED灯具的放电。人机接口电 路8是控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息，如LED供电时间、 供电亮度等。微处理器5根据信号处理及采样电路6检测的数字信息判断 当前系统运行状况，若处于白天且可以正常充电，则控制主电路7对蓄电池进 行充电，并且根据太阳能电池板的输出功率和其端电压的变化关系，判断其是 否处于最大功率输出点，由判断结果变步长地改变DC-DC变换器的占空比， 实现太阳能电池板的最大功率充电；若处于黑夜，则控制主电路7将Buck-Boost 双向DC-DC变换器切换到放电回路对LED灯具供电，同时检测流过LED的 电流，动态调整DC-DC变换器的占空比，实现LED灯具的恒流控制，维持其 亮度不变；同时，微处理器5根据单位时间内蓄电池端电压的变化率，判断蓄 电池的剩余容量，当剩余容量较低时，减小对LED灯具供电的DC-DC变换器 的占空比，此时LED亮度降低，耗电量降低；也可根据用户设定，控制LED 灯具工作时间，并在设定时间后，通过降低DC-DC变换器的占空比来降低LED 灯具的亮度，延长蓄电池的供电时间。图2为LED太阳能灯具控制器主电路原理图，是高效LED灯具控制器主电 路的一个设计实例。太阳能电池板的正负端PV+，PV-经过防反冲二极管Dl后，与由Mos管Ql，Q3， 电感LI组成的双向DC-DC Buck-Boost变换器相连，DC-DC变换器的另一端 与蓄电池正负端BAT+，BAT-相连，通过对Q1，Q3的通断控制实现太阳能电池板 最大功率输出控制；二极管D2和保险丝FUSE1构成了防蓄电池反接电路;LED 灯具的正负端LEEH"，LED-经过由Mos管Q2，Q3,电感LI组成的双向DC-DC Buck-Boost变换器与蓄电池正负端BAT+，BAT-相连，其中，Q3，L1为充放电分 时复用电路，充电时Q2关断，放电时Ql关断；C1，C2，C3为滤波电容；电流 采样线圈Saml和采样电阻R2构成了电流采样电路，此电路也是分时复用的， 充放电时分别采样充电电流和放电电流，采样信号送入图1中的信号处理及AD 采样电路6;电阻R5，R7，R11，R12， R15，R16，三极管Q4，Q6构成了 Q2的驱动电 路，Q2的通断由控制信号LEDconlN控制，控制信号LEDconIN来自微处理器; 电阻Rl为Q2的浪涌吸收电阻；D3为防Q2导通饱和的稳压二级管，可以加 快Q2的关断；同样，电阻R8，R10，R17，R18，R19，R20，三极管Q7，Q9构成了 Ql 的驱动电路，Ql的通断由控制信号ChaiBeIN控制，控制信号ChargeIN来自微 处理器；电阻R6为Ql的浪涌吸收电阻；D4为防Ql导通饱和的稳压二级管， 可以加快Ql的关断；电阻R3，R4，R9，R14三极管Q5,Q8构成了 Q3的驱动电路， Q3的通断由控制信号DisChaigeIN控制，控制信号DisChargeIN来自微处理器； 电阻R13为Q3的浪涌吸收电阻；D5为防Q3导通饱和的稳压二级管，可以加 快Q3的关断；充电时，微处理器通过控制信号ChargeIN和DisChargeIN控制 Q1，Q3的通断，实现太阳能电池板端电压，实现最大功率充电，此时LEDConIN 为低电平，Q2关断；放电时，微处理器通过控制信号LEDConIN和DisChargeIN 控制Q2，Q3的通断，实现LED灯具的脉冲式供电，此时ChargeIN为低电平， Ql关断；图3为微处理器程序流程图，是高效LED灯具控制器微处理器软件流程的 一个设计实例。'图3(a)为整体程序流程图，由定义变量、初始化程序、清看门狗子程序、白 天处理子程序、夜晚处理子程序、空闲状态处理子程序和各种定时处理子程序 组成。其中，白天处理子程序实现白天蓄电池的充电控制；夜晚处理子程序实 现夜晚点亮LED灯具的控制；空闲状态处理子程序实现夜晚在LED灯具完成 设定时间照明后到白天这段时间的等待控制；各种定时处理子程序完成LED 灯具照明时间定时处理、其他时间定时处理等功能。图3(6)为白天子程序流程图，由AD采样子程序、最大功率充电控制子程序
和PWM输出子程序组成。其中AD采样子程序完成太阳能电池板端电压、蓄 电池端电压、充电电流、环境温度的采样；若满足充电条件(太阳能电池板端 电压高于蓄电池端电压)，最大功率充电控制程序根据采样值计算太阳能电池 板的输出功率和其端电压的变化关系，判断其是否处于最大功率输出点，由判断结果变步长地计算PWM的占空比；PWM输出程序则根据计算的占空比输 出PWM信号驱动Q1，Q3，实现太阳能电池板的最大功率充电。图3(c)为夜晚子程序流程图，由AD采样子程序、蓄电池剩余容量判断子程 序、用户设定判断子程序、定时器设定子程序、LED恒流输出控制子程序、PWM 输出子程序和PWM关断子程序组成。AD采样子程序完成蓄电池端电压、放 电电流、环境温度的采样；蓄电池剩余容量判断子程序根据单位放电时间内蓄 电池端电压的变化率，判断蓄电池的剩余容量，当剩余容量较低时，减小对LED 灯具照明亮度降低系统耗电量；用户设定判断子程序判断用户设定的照明时间 和降低照明亮度时间；定时器设定子程序为实现规定时间的照明提供时间参 考；LED恒流输出控制子程序根据放电电流采样值动态调整DC-DC变换器的 PWM导通占空比，维持放电电流恒定，保持LED灯具的照明亮度；PWM输 出子程序根据计算的占空比输出PWM信号驱动Q2，Q3;当规定照明时间到达 时，由PWM关断子程序关断PWM驱动信号，熄灭LED灯具。
权利要求
1、高效LED太阳能灯具控制器，包括以下部分信号处理及AD采样电路、主电路、人机接口电路和微处理器；所述的信号处理及AD采样电路将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号调制后转换为数字信号送入微处理器；所述的主电路由Buck-Boost双向DC-DC变换器和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和对LED灯具的放电；所述的人机接口电路是控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息；所述的微处理器负责整个系统的协调控制，包括充放电控制、用户操作响应和系统保护。
2、 根据权利要求1所述的髙效LED太阳能灯具控制器，其特征在于，所 述的信号处理及AD采样电路中的电流采样电路为分时复用电路，白天用作充 电电流采样，夜晚用作放电电流采样。
3、 根据权利要求1所述的高效LED太阳能灯具控制器，其特征在于，所 述的主电路中的Buck-Boost双向DC-DC变换器为分时复用电路，白天作为太 阳能电池板和蓄电池之间的充电回路，夜晚作为蓄电池和LED灯具之间的放 电回路。
4、 根据权利要求1所述的髙效LED太阳能灯具控制器，其特征在于，所 述的微处理器通过软件实现最大功率充电和LED灯具脉冲放电，并且可以根 据蓄电池剩余容量和用户设定，控制LED灯具照明时间和自动降低亮度的照 明时刻；充电时，根据太阳能电池板的输出功率和其端电压的变化关系，控制 DC-DC变换器的占空比，实现最大功率充电；放电时，控制DC-DC变换器的 占空比，实现LED灯具的恒流控制；蓄电池的剩余容量根据单位时间内蓄电 池端电压的变化率来判断。
全文摘要
本发明公开了一种高效LED太阳能灯具控制器，包括以下部分信号处理及AD采样电路，负责将太阳能电池板和蓄电池的端电压信号、充电电流信号、放电电流信号和温度信号等调制后转换为数字信号送入微处理器；主电路，由分时复用的Buck-Boost双向DC-DC变换器、电流采样电路、功率管的驱动电路和充放电切换回路组成，实现对蓄电池的充电和对LED灯具的放电；人机接口电路，作为控制器和用户的操作接口，响应用户的操作信息；微处理器，负责整个系统的协调控制，包括最大功率充电控制、LED灯具脉冲放电控制、响应用户操作和系统保护。
文档编号H05B37/02GK101166385SQ20071014288
公开日2008年4月23日 申请日期2007年8月2日 优先权日2007年8月2日
发明者飞 王, 华 耿, 郭希铮 申请人:耿 华;郭希铮;王 飞