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太阳能供电型 LED 照明的电源转换商机
 

【作者: Stephen Stella】2012年08月24日 星期五

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发光二极体(LEDs)及太阳能光伏电池技术发展快速,在效能上已有显著改善,这将带动终端应用产品的效能也得以大幅提升。就同​​时使用这两种技术的应用,例如太阳能供电的照明而言,由于结合了这两种核心技术的进展,因此终端应用产品的效能便可望获得实质改善。


在这个例子中,较高效率的太阳能电池可将更多的太阳能量转换成电力,因此可以降低太阳能电池所需要的面积数量,而且高效率的LED可以在夜里运行更长的时间及更为明亮。然而,对于太阳能照明解决方案的制造商而言,挑战在于能否很快地利用这些技术的进展,并且达到成本效率。


一个将系统效能极大化的方法就是透过它的电源转换策略来达成。严谨的电源转换策略能够促成快速的发展,并且能利用最新的技术来建置解决方案。在这篇文章中,我们将检视元件,发展出一套系统,并提供一种高阶方法来分析其行为。


背景

现今存在着各式各样太阳能供电的照明例子。不管你是身处在电网系统不稳定的地区,使用太阳能供电灯具来做为夜间的阅读灯;或是在已建置全功能、社区级街道照明系统的地区,这种结合着太阳能/LED照明系统的商机都是多样、广泛且全球性的。唯一的差异仅在于终端应用产品的规模而已(阅读用vs.一般照明之用,两者间有着相当不同的要求)。


所有的这些系统的核心元件皆包括: (1) 太阳能电池、(2) 电池,以及(3)LED。顺带一提,针对这些元件,我们可以采用广义方式描述每一个元件,其中包括能量收集器(太阳能)、能量储存器(电池),以及能量发射器 (LED) 。虽然不完全正确,但是它可以突显出这个分析的灵活性。图 1(a) 显示了最基本的系统配置。



图一 : 两种系统配置
图一 : 两种系统配置

为了实现这个方案,每一个元件的行为必须与其他每一个元件相容。在这个例子中,意谓太阳能电池输出电压/电流的行为必须配合电池的充电曲线,而电池放电曲线必须符合 LED 驱动的要求。我们很快地发现图 1(a)中 的配置并不一致。


元件概述

检视图2(从a到d)电压电流(VI)特性图中所发现到的每一个元件的效能特点,我们发现当它们在限定的配置组内时,它们所做出的行为便可能会彼此接近,然而事实上,这无法保证任何合理水准的效能。


我们很快看到最大的太阳能电池电压(每一颗电池芯)大约在1 伏特左右,而镍氢电池的运作范围则是在0.9 伏特到1.4 伏特, LED的顺向电压虽然一般是在3 伏特以上,但却需要定电流源。再者,镍氢电池有一些特定的充电要求来延长它的使用寿命。


虽然有可能开发一个能将所有这些元件直接相连在一起的系统,但我们得清楚了解配置内存在着明显的限制,以及对于整体系统效能及稳定性所造成的影响。



图二 : 组件的电压-电流特性曲线以及驱动的要求
图二 : 组件的电压-电流特性曲线以及驱动的要求

为了说明这些限制性,让我们检视图1(b)中的替代系统图。在这三种核心元件彼此之间加入电力电子介面,将可以允许有着较高程度的弹性,并能最佳化整体效能。在这个配置中,微控制器并不重要。我们发现可以使用一个单独的电池充电器IC来解决镍氢电池充电曲线的需求,另外还发现可以使用LED驱动器IC来将电池电压转换成定电流源。


然而,这个配置至少有两个缺点。首先是弹性受到限制。选定的装置可能有着相当狭窄的工作范围,这将限制它们在系统中或面对客户要求时,对于变化的应变能力。例如,假如太阳能电池配置被改变时,则需要更换电池的充电IC。假如能量储存技术或配置被改变时,则电池充电IC及LED驱动器的IC两者皆可能需要更换。


最后,假如LED的类型或配置被改变,那么LED驱动器的IC也需要重新配置。标准的弹性将可以使系统在面对改变的需求时,可以更快速地应变,如此可跟上创新技术的步伐。将微控制器的包容性纳入系统中,将使得这样的解决方案更具有弹性,如此可以避免进行需大规模重新设计及重新认证的重大硬体变更,因为大部分的这些变更都可以在微控制器内完成。


第二个缺点则存在于系统最佳化元件方面。虽然我们可以找到一个通用型的电池充电IC,但是若要找到一个包含有最大峰值功率追踪(Maximum Peak Power Tracking;MPPT)的电池充电IC ,进一步将太阳能电池的输出予以极大化,则可能会有困难,而一个以离散为基础的解决方案,很难跟上创新的脚步。


建议的执行方案

为了解决客制化解决方案的限制性,微控制器能够让设计师利用每一个核心元件逐渐增加的效能,同时还能允许基本的架构可被重新使用。图3 展示了这个建议的执行方案。



图三 : 以微控制器单元为基础的建议架构
图三 : 以微控制器单元为基础的建议架构

图3的执行方案有三种优势。首先,系统中的所有构面皆可快速且轻易地进行最佳化。在这个解决方案中有四种主要的系统:LED、电池、太阳能电池以及电力电子。正如前面提到的,电池的充电曲线应该受到控制,如此可以增加充电效率及它的使用寿命。


然而,整体的充电效率也取决于太阳能电池的效率。将最大峰值功率追踪(MPPT)功能配置纳入电源转换演算法之中,应该会增加太阳能转换至电能的电源转换整体效能,最终将可减少太阳能电池阵列的尺寸,且依然能达成充电目标。


这将影响产品的外型尺寸,而且这提供给设计师了一个可加强视觉吸引力的选择。同样地,在这个例子中,若目标应用产品是被做为阅读照明之用,则光线的品质或许会被确认为此一目标应用产品的重要特性。光线的品质可以归因于电流的波形,可能是驱使LED驱动电流有着较严格的公差,或是包含了调光能力。建议的执行方案允许设计工程师将所有一切予以最佳化,其中包括从元件效率至系统整体的可靠性及使用寿命。


第二,这个架构是完全可扩展的,而且可以在宽广的电源范围中运作。一个设计简洁、用于阅读的可携式灯具,其中可能包含单一的太阳能电池、现成可购得的可充电式镍氢电池,以及一些使用20到75毫安培驱动电流的LED。


这个设计仅需简单替换掉容易取得的电源MOSFET及变压器的动力传动元件,就可以快速地提升额定功率来满足商用及社区安全性照明的需求。太阳能电池的数目可以增加、现成可购得的镍氢电池可以更换成客制化电池组,以及可使用驱动电流超过350毫安培的高亮度及高电流LED。


最后,这个平台的弹性使其可以快速因应核心技术、客户需求或是行为的变化,不断发展的太阳能电池或是有着特定驱动需求的LED能被快速采用,进而推出新产品。随着这些产品被使用,客户端应用的回馈或许将驱使额外的、非核心的需求,例如通讯(像是串联到无线介面等),以及预防性诊断支援。所以这个解决方案不仅可以藉由调整适应条件的变化,同时可最佳化效能,当它需要维修时,也可以与相关维修及预防措施进行沟通。


结论

新兴技术的发展方向总是不确定的。将太阳能光伏及LED此两种新兴技术结合在一起, 加上以微控制器为基础的电源转换解决方案所提供的弹性,将能够快速落实这些进展以满足客户需求。


  • (作者Stephen Stella为Microchip Technology 公司类比 & 介面产品部门产品行销师)


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