多路輸入大功率LED智能驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 摘要 采用單片機(jī)智能控制以實(shí)現(xiàn)由風(fēng)、光、市電多路輸入的大功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。其中，風(fēng)光發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了不同工作情況下的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略，并以模擬的風(fēng)光能源展示發(fā)電特性，完善了風(fēng)光互補(bǔ)措施。蓄電池充電控制方案分段優(yōu)化充電過程，以智能化操控實(shí)現(xiàn)能源的最大利用。從而實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電路整體最優(yōu)性能的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 驅(qū)動(dòng)電路;風(fēng)光互補(bǔ);LED;MPPT

智能LED驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)是基于風(fēng)能和太陽能發(fā)電系統(tǒng)而改進(jìn)設(shè)計(jì)的。其中，風(fēng)電和光伏發(fā)電賦予了較高的優(yōu)先級(jí)，在兩種能源不足以供給照明時(shí)，再采用市電提供電源。由于受天氣、時(shí)間、地域條件的改變，太陽能和風(fēng)力資源有著不同的分布，為達(dá)到最大的風(fēng)能光能利用率，采用了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)，并進(jìn)行MPPT控制策略改進(jìn)能源輸入方案。單片機(jī)控制系統(tǒng)可對(duì)多路電源輸入進(jìn)行控制，按一定的優(yōu)化方案執(zhí)行對(duì)驅(qū)動(dòng)電路供電。因?yàn)槲床捎脝我荒茉吹碾娏?yīng)，為使風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電達(dá)到最大功率，MPPT控制策略扮演了重要角色。文中將綜合太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，分析它們的輸出功率特性，以優(yōu)化的風(fēng)光電源對(duì)蓄電池的充電過程。在單片機(jī)智能控制系統(tǒng)的控制下，建立一個(gè)合理的解決方案，提供一個(gè)恒流電源以滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

1 多路輸入驅(qū)動(dòng)LED基本方案

LED智能驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。系統(tǒng)由負(fù)載、控制器、驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、太陽能電池板、蓄電池和市電組成。

多路輸入就是以市電、太陽能電池板和蓄電池作為電源動(dòng)力，在實(shí)際工況中經(jīng)常遇到，因?yàn)槭须娤潞芏嗦窡舻墓ぷ髑闆r不太穩(wěn)定或者斷電，這樣需要照明時(shí)經(jīng)常停電影響交通，這時(shí)可以通過太陽能或蓄電池進(jìn)行供電，即在驅(qū)動(dòng)電路里面加入選擇判斷電路組成多輸入控制選擇器。同時(shí)利用MPPT控制方式，實(shí)現(xiàn)最大限度的能源利用。通過對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電和光伏發(fā)電的控制調(diào)節(jié)，若發(fā)電電能未能供給所有電氣負(fù)載時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)控制器將傳送給負(fù)載蓄電池電能。反之，控制器控制電路直接供給負(fù)載電能，并將剩余電能充電至蓄電池內(nèi)。同時(shí)控制器保護(hù)蓄電池，使其工作在合理的電壓區(qū)域內(nèi)，確保蓄電池安全穩(wěn)定的工作。

2 MPPT控制方案

2.1 風(fēng)力發(fā)電特性原理

由流體力學(xué)中氣流動(dòng)能公式可以得出采用氣流所具風(fēng)能的大小同通過的面積、氣流密度以及氣流的速度成正比關(guān)系

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電風(fēng)能利用率的局限性，無法做到自然風(fēng)能的全部利用，所以在計(jì)算風(fēng)機(jī)實(shí)際有用功率輸出時(shí)需要考慮留在尾流中未利用的動(dòng)能，基本公式為

上式，一般情況下Cp<0.593，其表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際風(fēng)能利用系數(shù)，可由貝茲(Betz)極限理論得到。風(fēng)能的利用系數(shù)Cp與風(fēng)力機(jī)的葉尖速比有關(guān)，葉尖速比一般用λ來表示，由風(fēng)力機(jī)葉尖旋轉(zhuǎn)的圓周速度和風(fēng)速的比值來確定

圖3給出了風(fēng)能的利用系數(shù)和葉尖速比的曲線關(guān)系，是風(fēng)力機(jī)的基本特性之一。

在λ處于某一特定值λ0時(shí)，就定漿矩風(fēng)機(jī)而言，Cp達(dá)到最大并且風(fēng)力機(jī)具有最大機(jī)械功率的輸出，最佳葉尖速比用λm表示。因自然風(fēng)具有不定隨時(shí)變化的特性，這會(huì)使得Cp在大多數(shù)情況下不在最大工作點(diǎn)上，此時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率經(jīng)常處在較低水平。對(duì)于這個(gè)問題，處理時(shí)需要控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行速度，在一個(gè)較大的風(fēng)速范圍內(nèi)，盡可能使風(fēng)能的利用系數(shù)在最大值附近運(yùn)行，且葉尖速比λ達(dá)到最為優(yōu)化的葉尖速比，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電轉(zhuǎn)換最高效率的跟蹤。

2.2 太陽能電池板特性

太陽能電池的功率特性非線性化較為明顯，容易被外界因素影響。不同日照下表現(xiàn)出的電壓/電流和電壓/功率特性，如圖4和圖5所示。

2.3 變步長(zhǎng)擾動(dòng)最大功率點(diǎn)搜索控制

通過分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出特性，可采用3種方式確定其最大功率點(diǎn)：擾動(dòng)搜索其最大功率點(diǎn)、控制功率信號(hào)、控制葉尖速比。因?yàn)橐栌蔑L(fēng)速計(jì)，使得葉尖速比控制成本較高，它主要應(yīng)用于大型風(fēng)機(jī)控制。為控制功率信號(hào)，需要得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最大功率負(fù)載曲線。采用最大功率點(diǎn)擾動(dòng)搜索控制較為簡(jiǎn)便。而太陽能MPPT的控制有恒定電壓控制法、最大功率點(diǎn)的觀察擾動(dòng)法、導(dǎo)納增量法。

綜合考慮太陽能和風(fēng)力發(fā)電機(jī)MPPT控制功能，本項(xiàng)目使用改變步長(zhǎng)搜索擾動(dòng)方法控制最大功率點(diǎn)，MPPT控制的關(guān)鍵是如何使最大充電功率電池電壓平穩(wěn)，同時(shí)電池充電和發(fā)電部分功率相等。檢測(cè)電池的充電電流以及電壓，能夠計(jì)算得到此時(shí)的電能利用率。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制信號(hào)起始基準(zhǔn)功率為Pa，其占空比為x，輸入一個(gè)擾動(dòng)△x，Pb為檢測(cè)擾動(dòng)后的功率。當(dāng)Pb>Pa時(shí)，證明擾動(dòng)方向無誤，保持同方向施加擾動(dòng)已搜尋最大功率點(diǎn);反之，反方向擾動(dòng)。雙向擾動(dòng)之后，判斷Pb和Pa，若檢測(cè)擾動(dòng)后的功率Pb小于等于起始基準(zhǔn)功率Pa，繼續(xù)減小擾動(dòng)幅度，并再次進(jìn)行雙向搜索，當(dāng)擾動(dòng)△x

2.4 蓄電池充電控制優(yōu)化

合理的蓄電池充放電，不僅可以延長(zhǎng)電池壽命，而且能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中使用了3級(jí)充電控制的12 V鉛酸蓄電池。在蓄電池的初始充電，即利用最大功率點(diǎn)跟蹤控制充電階段，此時(shí)電池電壓較小，一個(gè)大的MPPT控制被使用。當(dāng)充電電流大于蓄電池的最大充電電流時(shí)，就不再使用最大功率點(diǎn)跟蹤最大電流充電。一旦蓄電池的最大充電功率比風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池提供的功率大時(shí)，打開卸荷回路，使蓄電池的充電電流始終小于最大充電電流。

在充電過程中，蓄電池充電到各個(gè)階段，可以不使用最大功率充電，放棄上述MPPT控制，采用電壓環(huán)控制。此階段控制參考對(duì)象選定為降壓/升壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，從而使蓄電池在定壓條件下充電。此時(shí)，充電電流逐漸變小。當(dāng)充電電流減小到1 A時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充階段。采用輸出電壓恒定的控制轉(zhuǎn)換器，使蓄電池以較小的放電電流來補(bǔ)償功率損耗。利用這個(gè)次優(yōu)控制，可使能源得到充分利用，且在不損害蓄電池的前提下，有效地提高電池的充電效率。

3 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該驅(qū)動(dòng)電路是恒流驅(qū)動(dòng)電源，專為T10 LED燈設(shè)計(jì)，可驅(qū)動(dòng)400余盞白色光LED燈或600余盞的紅黃色LED燈管。產(chǎn)品采用特殊的控制開關(guān)方式以及非隔離的外觀設(shè)計(jì)，使其具有高效率，節(jié)約能源，綠色環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過研究和物理測(cè)量電路，驅(qū)動(dòng)電路具有以下特點(diǎn)：工作頻率50～60 Hz;功率24 W;寬輸入電壓AC 110 V～265 V/50～60 Hz，輸出電流0.24 A，輸出電壓36 V≤UOUT≤0.6Uin;體積175mm× 18 mm×11 mm;直流50～80 V。確保LED使用安全穩(wěn)定，完全控制LED電流，同時(shí)LED光衰減弱，恒流精度高，開路保護(hù)功能，電磁兼容性較好。高效率、低功耗、穩(wěn)定性好的開關(guān)控制芯片，使產(chǎn)品擁有綠色節(jié)能的特性。

電流采用交流電接入，通過橋式整流器，電流直接被送到LED負(fù)載的正極，然后通過負(fù)極經(jīng)變壓器回到晶體管Q1，最后又通過橋式整流器回到交流的陰極。這就是該電路有負(fù)載時(shí)的主要回路。當(dāng)沒有負(fù)載時(shí)R17就充當(dāng)了保護(hù)電路的負(fù)載，保證電路不會(huì)短路。C1在這里起到了濾波和以充放電的形式來平衡負(fù)載LED兩端電壓的作用。D1為蓄流二極管，保證變壓器正常工作。電路圖下半部分，主要由兩個(gè)芯片和Q1過程的反饋調(diào)節(jié)電路。Q1會(huì)根據(jù)U1發(fā)出的高速頻率快速地開關(guān)電路，對(duì)變壓器發(fā)出高頻電流，從而使該電路輸出高頻電流。反饋控制：當(dāng)負(fù)載LED電流過載時(shí)，電流會(huì)通過R7和R8到達(dá)U2，使U2右邊的二極管發(fā)熱，使U2左邊的電壓降低，同時(shí)反饋到U1，即可調(diào)節(jié)電壓和頻率控制電路，從而使驅(qū)動(dòng)電路輸出恒定電流。

4 結(jié)束語

文中采用多路輸入的方式，經(jīng)控制器智能操控后對(duì)大功率的LED燈提供電能。同時(shí)還考慮了在風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)中常用的MPPT控制策略，使用MPPT策略以獲得風(fēng)光發(fā)電的最大功率值，對(duì)蓄電池充電進(jìn)行分段優(yōu)化，提高能源利用率，得以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。