太阳能LED照明系统中BUCK电路的设计

李 燕

(咸阳职业技术学院，陕西 咸阳 712000)

引言

在太阳能LED照明系统中，由于太阳能电池的输出是直流电，如果直接将太阳能电池与蓄电池连接，进行充电，太阳电池的输出电压是变化的，有可能低于蓄电池的电压，因此要接一个防电流倒灌的二极管将蓄电池与太阳能电池相连[1-6]。目前市场上绝大部分太阳能路灯都是通过这种方式充电的。该方案的优点是电路简单，实现难度小，成本低。但缺点是太阳能电池的最大输出工作电压被箝位在蓄电池的电压值，如果被充电的蓄电池为12 V，则太阳能电池的最大输出工作电压被箝位在12 V，这将使太阳能电池的的输出功率大幅度降低，充电效率也大打折扣。

本文针对基于太阳能发电的独立光伏LED照明系统中DC/DC变换电路进行了参数设计、仿真及实验分析。该设计能够减少能量损耗以及提升整体充电效率，延长蓄电池寿命，对于负载曲线是非线性的软特性电源，如燃料电池、太阳能电池、风力发电机非常适用。

1 BUCK变换器电路原理

从图1可以看出，独立光伏LED照明系统由太阳能电池、DC/DC变换电路、蓄电池、光感应电路、微控制电路、LED驱动电路和LED光源组成。其工作原理是在白天有光照的情况下，由微处理器根据相关控制算法，控制太阳能电源充电电路，使其以升压或者降压的方式将太阳能电池能量以最大功率给蓄电池充电。

图1 独立光伏LED照明系统的结构框图Fig.1 A stand-alone LED and photovoltaic lighting systen

太阳电池的输出是一个随光照条件、温度等因素变化的复杂变量。图2所示为太阳能电池在标准测试条件下，即光照强度为1 kW/m2，温度T=25 ℃ 时的典型伏安特性图。

图2 太阳能电池的典型输出特征曲线Fig.2 Typical characteristic of solar cell output

由图2可以看出，太阳能电池是一个内阻比较大的电源，随着照在太阳能电池上的光的强度以及温度的变化，其内阻跟着变化的。

在太阳能电池与蓄电池之间加入DC/DC变换电路，通过对其控制，调节太阳能电池的最大输出工作电压，使其稳定在如图2所示的P点，使电池组件的输出功率在任何情况下都达到最佳值。本文选择太阳能电池输出电压为18 V和蓄电池电压为12 V，设计了一个基于MPPT算法的小功率BUCK变换电路，如图3所示。

图3 基于MPPT算法的BUCK变换电路Fig.3 BUCK transform circuit based on MPPT algorithm

2 DC/DC变换电路设计

DC/DC变换电路以单片集成开关降压稳压器LM2596的可调输出电压版本LM2596-ADJ为核心，D1(SS36)采用压降小的肖特基二极管，用于防止电源接反，R14为太阳能电池输出电流采样电阻，其两端与电流采样放大电路连接。R7、R15和R8、R16分别构成太阳能电池输出电压和蓄电池电压采样电路。LM2596-ADJ的第5引脚为使能引脚，与微处理器连接，用于控制LM2596-ADJ是否工作，如图4所示。

1)输出电容的选择。在大多数的应用中，输出滤波电容C14、C15应该选择低等效电阻的电容，如图4所示，如果是电解电容，容值应在82～820 μF之间；如果是钽电容，容值应在10～470 μF之间，本电路采用两个330 μF电容并联，容值和为660 μF，能进一步降低等效电阻，且提高系统的可靠性，即使一个电容失效，系统还能正常工作。输出电容的耐压值应该至少是输出电压的1.5倍，有时，为了得到纹波低的输出电压，需要选择更高的电容耐压值，本系统的输出电压是12 V，输出电容的耐压值大于18 V，故系统选择耐压35 V的电解电容。

图4 DC/DC变换电路Fig.4 DC/DC converter

2)续流二极管的选择。续流二极管D2(图4)的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍，如果设计的电源要承受连续的短路输出，则续流二极管得到最大承受电流能力要等于LM2596的极限输出电流，对于续流二极管来说，最坏的情况是过载或者输出短路。本系统所需的二极管开关速度很快，正向压降低，因此采用的SS36为肖特基二极管，其工作电流为3 A，耐压为60 V，该二极管的性能和效率都很好，特别是在低输出电压的情况下更是如此，使用超快恢复或者高效整流二极管效果也很好，恢复时间为50 ns或者更快。

3)输入电容的选择。为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个低等效电阻的铝电解电容或者钽电容作为旁路电容，这个电容要靠近IC。另外，输入电容C2电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半，确保所选电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。对铝电解电容，耐压值要为最大输入电压的1.5倍，故系统采用1 000 μF/25 V的铝电解电容。

本系统的MPPT算法采用基于导纳增量控制法的定步长MPPT，其流程图如图5所示。导纳增量法通过比较太阳能电池的瞬时电导和电导的变化率，改变DC/DC变换器的控制量，从而达到实现MPPT的目的。导纳增量法稳定度高，控制效果好。由于太阳能电池的P-V曲线是单峰曲线，不会因为外界环境条件的变化而改变其单峰曲线的特性，因此采用导纳增量法进行最大功率跟踪没有原理性的误差。

图5 导纳增量法MPPT算法流程图Fig.5 Admittance incremental method MPPT algorithm flow chart

3 系统仿真

由于系统中的蓄电池的电压低于光伏电池阵列的输出电压，因此本文采用降压变换器模拟仿真最大功率跟踪。本设计中所用的BUCK电路实际工作占空比约为0.8，刚好对应跟踪光伏电池板的最大功率点所需要的占空比，也就是说明当采用光伏电池板作为输入电源时，可以跟踪上最大功率点(图6)。

图6 导纳增量法输出功率和占空比变化曲线Fig.6 Admittance incremental method power and power duty cycle curve

通过仿真分析发现，导纳增量法具有以下两个特点：

1)最大功率点运行平稳，波动小；

2)当周围环境变化时可以迅速跟踪，但算法较为复杂。

4 实验结果与分析

基于BUCK电路的DC/DC变换电路作用是将输入的15 V电压变换成12 V电压供后级使用。

空载时前级BUCK电路的实验波形如图7所示，其中CH1为前级BUCK输入电压，CH2为输出电压，CH3为前级开关管驱动电压波形。前级输入直流电压约16 V，由直流电源提供，用来模拟光伏电池板在最大功率点时的输出电压，为整个系统提供电源，经过BUCK电路稳压控制后，稳定输出约12.6 V的直流电压，从图7可以看出，此时占空比约为0.8，开关管的驱动脉冲在空载时存在一定的振荡现象，这是由于BUCK电路的电感内部储存的电磁能在电路空载时泄放得较慢，开关断开时容易与功率开关栅源极间的寄生结电容发生谐振。

图7 前级BUCK电路空载时波形Fig.7 Waveform when former BUCK circuit with no-load

连接光伏电池板、前级BUCK电路在轻载时的实验波形，如图8所示。温度25 ℃、光照强度为1 000 W/m2时，光伏电池板的开路电压为21 V，最优电压为16.8 V。负载电阻为500 Ω，CH1为前级BUCK输入电压，CH2为输出电压，CH3为前级开关管驱动电压波形。从图8可以看到，输入电压约15.5 V左右，这是温度和光照强度都不标准造成的，输出电压约12.6 V，此时在带载的情况下，驱动脉冲没有出现图8振荡的现象。

图8 前级BUCK电路在轻载时实验波形Fig.8 Waveform when former BUCK circuit with light load

通常情况下，光伏电池板的最大功率点对应的最优电压约等于开路电路的0.75～0.8倍，本文设计中所用的BUCK电路实际工作占空比约为0.8，正好对应跟踪光伏电池板的最大功率点所需要的占空比，因此可以间接说明当采用光伏电池板作为输入电源时，可以跟踪上最大功率点。另外，经过计算，后级BOOST电路等效的负载电阻约为50 Ω，因此在做前级BUCK电路实验时，接入50 Ω的电阻来模拟额定负载，实验波形如图10所示，CH1为前级BUCK输入电压，CH2为输出电压，CH3为前级开关管驱动电压波形。此时输入电压依然在15.5 V左右，输出电压约12.4 V，图8～图10说明前级的BUCK电路可以实现将15.5 V左右的电压转换成后级所需的12.5 V电压，达到了设计要求。

图9 前级BUCK电路在额定负载时的实验波形Fig.9 Waveform when former BUCK circuit with rated load

5 结束语

太阳能LED照明系统中，DC/DC变换器有两个作用：调节太阳能电池的工作点，使其工作在最大功率点处；限制蓄电池充电电压范围。笔者对太阳能发电的独立光伏LED照明系统中DC/DC变换电路进行了参数设计、仿真及实验分析。通常情况下，光伏电池板的最大功率点对应的最优电压约等于开路电路的0.75～0.8，而笔者所用的BUCK电路实际工作占空比约为0.8，刚好对应跟踪光伏电池板的最大功率点所需要的占空比，也就是说明当采用光伏电池板作为输入电源时，可以跟踪上最大功率点，并且太阳能电池的P-V曲线是单峰曲线，导纳增量法不会因为外界环境条件的变化而改变其单峰曲线的特性，因而系统稳定度高，控制效果好，可以应用于太阳能LED照明系统。