CN101505565A - 独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种独立式光伏LED照明系统控制专用SoC芯片，它包括充电采样电路、充电驱动电路、LED照明采样电路、LED照明驱动电路、控制模块、温度感测电路和保护电路。充电采样电路的输入端分别与太阳能电池和蓄电池相连，其输出端分别与充电驱动电路和控制模块相连；LED照明采样电路通过控制功率变换电路，为LED灯提供恒定电流；充电驱动电路控制功率变换电路为蓄电池提供合适的充电电流和电压；LED照明驱动电路在接收到控制模块提供的照明信息时，控制LED灯工作。本发明可以通过少量外围元器件，轻松构成独立式光伏LED照明系统，系统具有低成本、高效能、小体积、高智能化等诸多优点。

Description

独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片

技术领域

本发明属于集成电路领域，涉及高效能太阳能利用，具体涉及一种独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片，它适用于独立式光伏LED照明系统的高效能、低成本、高稳定性系、高智能化解决方案。

背景技术

太阳能具有取之不尽，用之不竭的特点，是当今可再生能源中发展速度最快的能源之一，也是各国竞相发展的重点。LED灯具有寿命长、效率高、不产生热量的众多特点，越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势，广泛应用于绿地照明、道路照明与交通指示、机场跑道永久照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明、家居照明及汽车照明系统。

LED的工作电流是直流，且工作电压较低。太阳电池将光能转化为直流电能，且太阳电池组件可以通过串并联方式组合得到实际需要的电压。这些特点恰好与LED相匹配，两者结合将无需任何的逆变装置进行交、直流转换，将获得很高的能源利用率、较高的安全性能和可靠性，实现节能、环保、安全、高效能的照明系统，实现新能源开发与节能环保产品的完美结合，能产生极高的社会效益和经济效益。

目前，对于控制器的设计，国内外普遍的解决方案是使用多个集成电路芯片通过板级电路互联构成一个完整控制系统。这些集成电路芯片包括单片机(MCU)芯片，ADC芯片，模拟开关电源转换DC-DC芯片，模拟开关电源LED恒流驱动芯片，实时时钟芯片，温度检测芯片等。由于采用芯片较多，所以成本居高不下，而且，由于所用芯片大多是通用芯片，芯片的很多功能闲置，不仅造成资源浪费，而且各个芯片本身消耗功率较大，降低了整个系统的效率。另外，系统复杂，可靠性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效能、低成本并且高智能化的独立式光伏LED照明系统控制专用SoC芯片。

本发明所提供的独立式光伏LED照明系统控制专用SoC芯片，其特征在于：包括充电采样电路、充电驱动电路、LED照明采样电路、LED照明驱动电路、控制模块、温度感测电路和保护电路；

充电采样电路的输入端分别与太阳能电池和蓄电池相连，其输出端分别与充电驱动电路和控制模块相连；

充电驱动电路的输入端分别与充电采样电路和控制模块相连，其输出端与充电部分功率变换电路相连；

LED照明采样电路的输入端分别蓄电池及LED电流采样电阻相连，其输出端与LED照明驱动电路相连；

LED照明驱动电路的输入端分别与LED照明采样电路及控制模块相连，其输出端与LED驱动部分功率变换电路相连；

温度感测电路与控制模块相连，将实时监测到的芯片温度信号传递给控制模块；

保护电路的输入端与充电驱动电路、LED照明驱动电路以及蓄电池中的至少一个相连，其输出端与控制模块相连；

控制模块分别接收充电采样电路、温度感测电路和保护电路传递的信号，控制模块对三种信号进行逻辑处理，控制充电驱动电路和LED照明驱动电路的工作状态。

作为本发明的改进，该芯片还包括最大功率点跟踪电路，并在太阳能电池的电流回路中串联电阻；最大功率点跟踪电路的输入端分别太阳能电池及串联电阻相连，其输出端与充电驱动电路相连。该芯片也可以包括依次串接在蓄电池与充电驱动电路之间的蓄电池温度检测电路和浮充电压温度补偿电路。该芯片还可以包括LED亮度调节电路，LED亮度调节电路的输入端与控制模块相连，其输入端与LED照明驱动电路相连。控制模块最好采用为微控制器。

利用本发明所提供的SoC芯片构成的独立式光伏LED照明系统功能如下：

白天或者有光时，太阳能电池有较高电压输出，通过SoC芯片中的充电采样电路可以感知此时处于太阳能电池给蓄电池充电状态。通过该充电采样电路，基于太阳能电池输出电压和蓄电池蓄电状态，选择合适的蓄电池充电策略(通过蓄电池充电驱动电路来选择合适的充电电流和充电电压)。为提高太阳能电池的充电效率，此处可通过监测太阳能输出的最大功率点，采用最大功率点跟踪(MPPT)技术来实现输出太阳能电池的最大功率。该充电控制电路还可以监测蓄电池状态，一旦蓄电池容量充满，即刻关闭充电电路。

到了晚间，或者光线很弱时，太阳能电池无输出电压或者输出电压很低，SoC芯片充电采样电路可以感知此时处于蓄电池放电、LED照明状态。通过LED照明采样电路检测负载LED的电流，通过LED照明控制和驱动电路，控制LED照明用的功率转换电路，为LED灯提供恒定的驱动电流。

上述SoC芯片为组建光伏LED照明系统提供的足够的灵活性。针对不同的照明亮度要求，可以选择不同功率的LED灯，比如小功率的台灯、草坪灯(1W左右)，中功率的庭院灯、指示灯(10W左右)，大功率的路灯、装饰灯、景观灯(30W左右)。针对不同功率的LED灯，以及在无太阳状态下的工作时间要求，选择不同容量、不同输出电压、不同类型的蓄电池，比如小容量的锂离子电池、镍铬电池和大容量的铅酸电池。另外，根据光照强度和系统功率要求，选择不同容量的太阳能电池，不同容量的太阳能电池具有不同的输出电压和输出电流。本发明的SoC芯片为控制驱动芯片，功率器件位于芯片外围，为不同容量的系统需求的实现提供了可能。

本发明的SoC芯片的充电策略可以根据不同的特定应用系统进行专门设计，以实现高效能和低成本化的蓄电池充电电路。比如，所选太阳能电池输出电压比蓄电池电压高，可采用降压式DCDC控制策略来实现高效率的蓄电池充电，也可以线性控制策略来降低蓄电池充电电路成本。比如，所选太阳能电池输出电压比蓄电池电压低，可以采用电荷泵式升压电路，也可以采用升压式DCDC电路实现蓄电池充电功能。

本发明的SoC芯片LED照明驱动策略可以根据不同的特定应用系统进行专门设计，以实现高效能和低成本化的LED照明驱动电路。比如，LED灯串联个数较少，LED灯的电压降低于蓄电池输出电压，则可以采用降压式DCDC电路来实现恒流LED驱动，也可以采用线性电流源电路来驱动LED。比如，LED灯串联个数较多，LED的电压降高于蓄电池输出电压，则可以采用升压式DCDC电路来实现恒流LED驱动。

为了增加芯片可靠性，芯片中可以增加温度感测电路和保护电路，保障过温、过流、电池反接等故障状态下芯片及系统的安全。

为了增加芯片的可操作性，芯片还可以组建适当的人机接口，让人可以根据实际应用系统的要求对芯片进行适当的配置，并将系统的工作状态通过人机接口进行显示。

本发明的有益效果是，可以通过少量外围元器件，轻松构成独立式光伏LED照明系统，系统具有低成本、高效能、小体积、高智能化等诸多优点。

附图说明

图1为本发明的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片原理图。

图2为在图1基础上加上人机接口电路的简便性芯片原理图。

图3为在图2基础上增加了太阳能最大功率点跟踪技术的芯片原理图。

图4为在图2基础上增加了浮充电压温度补偿电路的芯片原理图。

图5为在图2基础上增加了LED亮度调节功能的芯片原理图。

图6为在图2基础上采用了MCU实现纯数字算法实现开关电源的芯片原理图。

具体实施方式

本发明提供的SoC芯片100只需少量外围元器件，包括太阳能电池101、蓄电池103、LED灯105、充电部分功率变换电路102、LED驱动部分功率变换电路104，LED电流采样电阻Rs106，输入和显示器件114即可构成高效能、低成本、高智能化的独立式光伏LED照明系统。

如图1所示，本发明所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片第一实施例包括：充电采样电路107、充电驱动电路108、LED照明采样电路123、LED照明驱动电路110、控制模块109、温度感测电路111和保护电路113。该芯片最大的特点也是其优点即是：单颗芯片解决独立式光伏LED照明系统的所有控制功能，大大缩小系统体积，降低系统建设和维护成本，并增加系统可靠性，提高太阳能利用效率。

充电采样电路107的输入端分别与太阳能电池101和蓄电池103相连，其输出端分别与充电驱动电路108和控制模块109相连。它用于检测太阳能电池板的输出电压和蓄电池电压，作用有两个，以下对其分别进行介绍。

第一个作用是判断光伏LED系统是处于有阳光的蓄电池充电状态，还是无太阳光的LED照明状态，并将该信号传递给控制模块109和充电驱动电路108。

当LED系统处于有太阳光的LED照明状态时，控制模块109允许太阳能电池101给蓄电池103充电，同时充电采样电路107通知充电驱动电路108，充电驱动电路108将开始工作，控制功率变换电路102，为蓄电池提供合适的充电电流和电压。当系统处于无太阳光的LED照明状态时，控制模块109禁止太阳能电池101给蓄电池103充电，同时充电采样电路107通知充电驱动电路108，禁止其工作。

充电驱动电路108和LED照明驱动电路110不能同时处于工作状态。白天，充电电路工作，LED照明电路完全关闭；晚上或者光照很弱时，LED照明电路工作，充电电路完全关闭。

第二个作用是判断电池的状态，进而决定采用何种充电策略。典型的铅酸充电策略是采用快充、过充、浮充的三阶段充电方法：(1)快充阶段：在快充阶段，充电电路的输出等效于电流源。电流源的输出电流根据蓄电池的充电状态确定，为蓄电池最大可接受电流IMAX。充电过程中，电路检测蓄电池端电压。当蓄电池端电压上升到转换门限值后，充电电路转到过充阶段。(2)过充阶段：在过充阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压Voc，同时检测充电电流。当充电电流降到低于转换门限值Ioct时，认为蓄电池电量已充满，充电电路转到浮充阶段。(3)浮充阶段：在浮充阶段，充电电流给蓄电池提供一个精确的、具有温度补偿功能的浮充电压VF。

不同的光伏LED系统，太阳能电池的输出电压VS与蓄电池电压VB存在三种情况：VS>VB，VS≈VB，VS<VB。不同的情况下，充电部分功率变换电路102将采用不同的电路模式。当VS>VB时，可以采取的充电电路模式为降压型DCDC电路，或者LDO型电源电路；当VS≈VB时，可以采取的充电电路模式为升降压型DCDC电路；当VS<VB时，可以采取的充电电路模式为升压型DCDC电路，或者电荷泵电路。不同的充电部分功率变换电路102，需要不同的充电驱动电路108。具体的选择方法是依据太阳能电池输出电压、蓄电池电压，以及系统的成本和效率考虑。

控制模块109的输入信号包括：充电采样电路107检测到是否有充足阳光的充电控制信号，温度感测电路111检测到的芯片温度是否正常的控制信号，保护电路113检测到的芯片是否有其它诸如过流、过压、电池反接等非正常工作信号。控制模块109对上述4类信号进行逻辑处理，得出三种状态：充电电路(包括充电驱动电路108、充电部分功率变换电路102，文中的“充电电路”均指这两块电路模块，下同)工作LED照明电路(包括LED照明驱动电路110、LED照明部分功率变换电路104，文中的“LED照明电路”均指这两块电路模块，下同)不工作、充电电路不工作LED照明电路工作、充电电路和LED照明电路均不工作。这三种状态将决定充电驱动电路108和LED照明驱动电路110是否工作。另外，根据系统需求，如果LED灯需要有亮度调节功能，该亮度调节信号也由控制模块109产生。如果系统还有其他控制信号，也一并交给控制模块109处理，比如芯片全局使能信号、全局复位信号等等。

LED照明采样电路123通过检测蓄电池103的输出电压，以及流过LED灯105的电流信号(通过与LED灯105串联的电流检测电阻106产生)，进而反馈到LED照明驱动电路110，产生LED照明的恒流控制信号，控制功率变换电路104，为LED灯提供恒定电流。

一旦控制模块109允许LED灯105工作，同时基于LED照明采样电路120检测到的LED灯105负载电流和蓄电池103输出电压，LED照明驱动电路110将开始工作，控制功率变换电路104，为LED灯提供恒定的电流信号。

类似于芯片的充电电路部分，此处的LED驱动电路也存在三种情况：VB>VLED，VB≈VLED，VB<VLED，此处的VLED指LED灯105上的电压降。不同的情况下，功率变换电路104将采用不同的电路模式。当VB>VLED时，可以采取的LED驱动电路模式为降压型DCDC电路，或者LDO型电源电路(出于效率考虑，DCDC电路模式得到普遍应用)；当VB≈VLED时，可以采取的LED驱动电路模式为升降压型DCDC电路；当VB<VLED时，LED驱动电路模式可以采取升压型DCDC电路。不同的功率变换电路104，需要不同的充电驱动电路110。具体的选择方法是依据蓄电池电压、LED灯串联个数及其电压降，以及系统的成本和效率考虑。

温度感测电路111是一个芯片内部集成的温度传感器，能实时监测芯片温度。一旦芯片温度超过某一设定阈值，芯片将可能遇到烧毁的危险，将该过温信号输入到控制模块109，可关闭整个芯片，直至芯片温度降低和合适范围。

保护电流113具有多种保护功能的任意一种或任意组合。保护功能包括：充电回路过流保护，LED驱动过流保护，蓄电池103剩余电量过低保护，蓄电池103反接保护，蓄电池103过温保护等等。第一实施例中没有人机接口电路，外界无法也无需对系统进行控制，系统组建方案和工作状态由芯片内部机制自动完成。

如图2所示，本发明所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片第二实施例在第一实施例的基础上，加上人机接口电路112，

人机接口电路112是外界与芯片的交互式接口部分。外界对LED灯的亮度调节信号，亮灯方式控制信号，系统片内时钟校准信号等均通过人机接口电路112输入给芯片内部。芯片的状态显示信号，比如太阳能充电状态、LED照明状态、系统故障状态、蓄电池电量过低状态等均可以通过人机接口电路112输出到芯片外部进行显示。

人机接口电路112与控制模块109相连，将外部的控制信息传送给控制模块109，然后由控制模块109处理后传给108和110。例如，夜间照明状态时，人们通过人机接口电路112调节灯的亮度，此信息由109处理后传给110以达到目的。

控制模块109产生的所有状态，可以通过人机接口电路112输出显示。

如图3所示，本发明所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片第三实施例是在第二实施例的基础上，在太阳能电池的电流回路中串联一个电阻116，用于检测太阳能电池的输出电流，同时检测太阳能电池的输出电压，将该电流信号和电压信号送给芯片的最大功率点跟踪电路115，获得最大的太阳能输出功率。最大功率点跟踪电路115的作用是控制充电的电压和电流，使太阳能电池的输出功率达到最大，而不是只关注电流或者电压，以使充电效率达到最优值。

如图4所示，本发明所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片第四实施例在第二实施例的基础上，增加了浮充电压温度补偿电路。蓄电池在充满电后，保持电量的最好方法就是加一个恒定电压到蓄电池上。这对充电电路提出了提供合适浮充电压的要求。浮充电压值既要足够大，能补偿蓄电池的自放电电流；又不能太大，以免导致蓄电池内部因过充而发生化学成分的分解。因此，通过蓄电池温度检测电路117检测蓄电池温度并将此温度传给浮充电压温度补偿电路118，而后浮充电压温度补偿电路118根据所接受到的温度信息为第三阶段的浮充状态选择合适的充电电压。具体实施方法为：浮充电压温度补偿电路118根据不同的温度提供一个不同的电压，将此电压传给充电驱动电路108作为参考电压，最后使蓄电池两端的电压稳定在某一数值上。增加了浮充电压温度补偿电路118的芯片结构框图如图4所示。

如图5所示，本发明所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片第三实施例在第一实施例的基础上，增加了LED亮度调节功能。为改变LED灯105亮度，改变其驱动电流即可。将外界输出的亮度调节信号通过人机接口电路112输入到控制中心，或者通过控制中心的定时器自动产生LED灯亮度调节信号，通过LED亮度调节电路119输出到LED照明驱动电路110，即可为LED灯产生不同的恒定电流。增加了LED亮度调节功能的芯片框图如图5所示。

上述各图中的控制模块109的功能既可通过一个相对独立的电路单元实现，也可通过各个部分的电路协同实现，或者二者皆有。

下面通过借助以下实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是说明性的，本发明并不受这些实施例的限制。

如果控制模块109的功能是通过独立的电路实现，则可以采用MCU实现，利用软件实现其逻辑控制功能。充电驱动电路108和LED照明驱动电路110可以采用传统的模拟开关电路方式实现，也可以采用新型的数字式开关电源实现。基于数字式的开关电源中，充电驱动电路108和LED照明驱动电路110，两者的控制电路由于工作的不同时性，可以统一采用片内的微控制器MCU120来完成纯数字的算法。

如果控制中心的功能通过各个部分的电路协同实现时108，110还要肩负控制电路的功能。

针对不同的太阳能电池101输出电压和蓄电池103电压情况，充电部分功率变换电路102可以采用下列5种电路形式的一种：降压型DCDC电路、LDO电路、升压型DCDC电路、电荷泵电路、升降压型DCDC电路。无论上述何种充电部分功率变换电路102形式，均需要按照实际电路连接方式设计不同的充电驱动电路108。

针对不同的蓄电池103电压和LED灯105串联个数，LED驱动部分功率变换电路104可以采用下列4种电路形式的一种：降压型DCDC电路、LDO电路、升压型DCDC电路、电荷泵电路、升降压型DCDC电路。无论上述何种LED驱动部分功率变换电路104形式，均需要按照实际电路连接方式设计不同的LED照明驱动电路110。

温度感测电路111的具体实施可利用三级管的正负温度系数输出电压控制控制模块的关断。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1、一种独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片，其特征在于：它包括充电采样电路(107)、充电驱动电路(108)、LED照明采样电路(123)、LED照明驱动电路(110)、控制模块(109)、温度感测电路(111)和保护电路(113)；

充电采样电路(107)的输入端分别与太阳能电池(101)和蓄电池(103)相连，其输出端分别与充电驱动电路(108)和控制模块(109)相连；

充电驱动电路(108)的输入端分别与充电采样电路(107)和控制模块(109)相连，其输出端与充电部分功率变换电路(102)相连；

LED照明采样电路(123)的输入端分别与蓄电池(103)及LED电流采样电阻(106)相连，其输出端与LED照明驱动电路(110)相连；

LED照明驱动电路(110)的输入端分别与LED照明采样电路(123)及控制模块(109)相连，其输出端与LED驱动部分功率变换电路(104)相连；

温度感测电路(111)与控制模块(109)相连，将实时监测到的芯片温度信号传递给控制模块(109)；

保护电路(113)的输入端与充电驱动电路(108)、LED照明驱动电路(110)以及蓄电池(103)中的至少一个相连，其输出端与控制模块(109)相连；

控制模块(109)分别接收充电采样电路(107)、温度感测电路(111)和保护电路(113)传递的信号，控制模块(109)对三种信号进行逻辑处理，控制充电驱动电路(108)和LED照明驱动电路(110)的工作状态。

2、根据权利要求1所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片，其特征在于：该芯片还包括与控制模块(109)相连的人机接口电路(112)。

3、根据权利要求1所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片，其特征在于：该芯片还包括最大功率点跟踪电路(115)，并在太阳能电池的电流回路中串联电阻(116)；最大功率点跟踪电路(115)的输入端分别太阳能电池(101)及串联电阻(116)相连，其输出端与充电驱动电路(108)相连。

4、根据权利要求1所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片，其特征在于：该芯片还包括依次串接在蓄电池(103)与充电驱动电路(108)之间的蓄电池温度检测电路(117)和浮充电压温度补偿电路(118)。

5、根据权利要求1至4中任一所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片，其特征在于：该芯片还包括LED亮度调节电路(119)，LED亮度调节电路(119)的输入端与控制模块(109)相连，其输入端与LED照明驱动电路(110)相连。

6、根据权利要求5中任一所述的独立式光伏LED照明专用控制器SoC芯片，其特征在于：控制模块(109)采用微控制器实现。

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