在各大中型城市中一大批智能化小區(qū)、花園別墅、智能大型綜合體育設(shè)施等建筑拔地而起， 客觀上要求有與其相配套的高效能環(huán)保的照明設(shè)備的出現(xiàn)。LED 是發(fā)光二極管的統(tǒng)稱， 它工作在低電壓、小電流的狀態(tài)下， 所以具有發(fā)熱量小、功耗低的顯著特征。而且其使用方面， 可以根據(jù)不同場合的使用要求方便地進行多顆LED 的組合。所以在LED 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的LED 光伏路燈是一種新型環(huán)保且具有高光效的節(jié)能設(shè)備， 具有安全抗震、使用方便、費用低、壽命長、節(jié)約能源、無污染等優(yōu)點， 在許多領(lǐng)域可代替現(xiàn)在廣泛使用的白熾燈、日光燈等光效相對較低的照明設(shè)備。其工作原理就是通過太陽電池光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)化為電能， 給蓄電池進行充電， LED 驅(qū)動器則通過蓄電池為其提供工作電源， 完成對LED 燈的驅(qū)動和保護功能。其優(yōu)點是克服了目前市場上所使用的其它照明設(shè)備普遍存在的耗能大、光效差、不穩(wěn)定、蓄電池使用壽命短等多種弊端。大功率LED 路燈充電器設(shè)計的一個關(guān)鍵的部分就是光伏充電器的設(shè)計問題， 因為光伏充電器不僅完成了把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的重任， 而且還對蓄電池提供了智能充電管理， 因此光伏充電器的性能直接決定了太陽能能量利用的效率和系統(tǒng)使用的壽命。本文從原理、控制策略和實際應用等幾個方面介紹一種光伏充電器及其控制系統(tǒng)的設(shè)計思想。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　1.1 LED 的工作特性

　　發(fā)光二極管LED（Light Emitting Diode）的工作原理是在半導體p-n 結(jié)上加一正向電壓， 從而使其電子與空穴復合（即結(jié)區(qū)變窄）， 這種復合是電子從高能級的導帶釋放能量回到價帶與空穴復合， 其釋放的能量以光子的形式出現(xiàn)， 即發(fā)光。

　　根據(jù)半導體物理中的公式： λ=1.24/Eg式中： Eg 為半導體材料導帶與價帶之間的禁帶寬度， λ為波長。從式中可以看出， 對于不同材料的半導體來說， 由于它們的Eg 不同， 因此它們的波長# 也不一樣， 所以發(fā)光的顏色不同。顯然， 一般LED 多為單顏色光， 如紅光、綠光、黃光、藍光等。所謂白光是多種顏色的光混合而成， 以人類眼睛所能見到的白光形式至少必須兩種以上的光混合， 一般有下列兩種混合方式： 二波長光―――藍光與黃光混合； 三波長光―――紅光、綠光與藍光混合。目前已經(jīng)商品化的白光LED 產(chǎn)品多為二波段藍光單晶片加上YAG 黃色熒光粉； 三波長光以無機紫外線光晶片加R、G、B 三顏色熒光粉。此外， 有機單層三波長型白光LED 也有成本低、制作容易等優(yōu)點。

　　1.2 太陽電池的工作特性

　　圖1、圖2 分別給出了太陽電池溫度在25 ℃時， 工作電壓、電流和日照（ W/m2） 的關(guān)系曲線及太陽電池的輸出功率和日照、電壓之間的曲線。

　　從圖1 的I/U 關(guān)系可以看出， 太陽電池陣列既非恒壓源，也非恒流源， 而是一種非線性直流電源， 電池輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當恒定， 最終在一個足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。由圖2 可知， 太陽電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽電池面積上的功率之比。因此， 為了提高本系統(tǒng)的工作效率， 必須盡可能地使太陽電池在最大功率點處工作， 這樣就可以用功率盡可能小的太陽電池獲得最大的功率輸出， 這就是進行最大功率點跟蹤的意義所在。如圖1 和圖2 所示， 圖中的A、B、C、D、E 點分別對應不同日照時的最大功率點。

　　1.3 鉛酸蓄電池的工作特性

　　目前在光伏充電器系統(tǒng)中大量使用的是鉛酸蓄電池， 它的工作原理是依靠鉛酸正極的活性物質(zhì)二氧化鉛（ PbO2） 和負極的活性物質(zhì)海綿狀鉛（ Pb） 與電解液硫酸（ H2SO4） 進行化學反應生成硫酸鉛（ PbSO4） , 在此工作過程中將引起硫酸（ H2SO4） 的減少， 而且在正極板上不斷生成水（ H2O） , 從而引起電解液的密度降低。在充電期間， 正極極板上的硫酸鉛（ PbSO4） 氧化成了二氧化鉛（ PbO2） , 此時負極極板上的硫酸鉛（ PbSO4） 還原成鉛（ Pb） , 同時生成硫酸（ H2SO4） , 耗去了蓄電池中的水（ H2O） , 使電池中電解液的密度上升， 完成充電過程。

　　2 系統(tǒng)的工作原理

　　2.1 系統(tǒng)的主控制芯片介紹

　　充電器系統(tǒng)的硬件框圖如圖3 所示。

　　主控芯片采用Microchip 公司的PIC16F874, 它采用RISC 指令系統(tǒng)， 哈佛總線結(jié)構(gòu)， 低功耗， 高速度。內(nèi)部集成了ADC、SPI 和Flash 程序存儲器等模塊， 具有10 位A/ D 轉(zhuǎn)換、PWM 輸出、LCD 驅(qū)動等功能， 此外它還帶有128 個字節(jié)的E2PROM 存儲器， 能方便寫入調(diào)整量以備后用。PIC16F874通過SPI 接口可以實現(xiàn)與CAN 控制器MCP2510 的無縫連接， 且同時同步串行模塊（ SSP） 為以后與工控機聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。PIC16F874 的I/O 資源豐富， 共有A、B、C、D、E 五個I/O口， 每個I/O 口除了基本用途外還有一些特殊功能。豐富的資源和強大的功能， 使之十分適合于作為控制系統(tǒng)的控制核心芯片。

　　2.2 系統(tǒng)的工作過程分析

　　充電器系統(tǒng)的控制框圖如圖4 所示。

　　由圖4 可以看出， 在蓄電池充電階段， 控制回路電壓環(huán)僅由太陽電池電壓構(gòu)成。此時， 電壓環(huán)的輸出為電流環(huán)的給定，通過檢測主電路中蓄電池的充電電流與給定電流相比較來改變SG3525 的輸出脈沖寬度， 使太陽電池的電壓跟蹤給定電壓。由圖1 可知， 當太陽電池電壓下降， 在穩(wěn)態(tài)時， 太陽電池電壓等于給定電壓， 電流環(huán)的給定亦為穩(wěn)定值， 蓄電池的充電電流等于給定電流； 反之， 當太陽電池電壓小于給定電壓時，SG3525