基于新型基板封裝技術(shù)的風(fēng)光互補(bǔ)LED照明控制器設(shè)計(jì)

祝亞峰 劉 飛 付念先

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，湖北武漢 430074)

1 引言

目前，風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)發(fā)展較快，風(fēng)光互補(bǔ)控制器種類較多，但真正能很好的達(dá)到經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性的系統(tǒng)還不多，其主要的原因之一是沒有一個(gè)良好的控制系統(tǒng)。風(fēng)光互補(bǔ)照明控制器工作在戶外環(huán)境中，是風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的核心，對(duì)控制器的技術(shù)要求較高，在滿足使用功能的前提下還要做到控制智能化、可靠化、壽命長、穩(wěn)定性好。

常規(guī)的光伏控制器在蓄電池充滿以后，會(huì)啟動(dòng)開路保護(hù)模式，斷開太陽能電池板與蓄電池的充電回路，達(dá)到保護(hù)蓄電池的作用。但是對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)而言，在蓄電池過充時(shí)風(fēng)機(jī)是不能直接進(jìn)行開路保護(hù)，一般都是采用卸荷器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行剎車［1］～［7］。

本文通過深入研究風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)工程應(yīng)用存在的問題，結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了一種基于新型基板封裝的風(fēng)光互補(bǔ)LED照明控制器設(shè)計(jì)方法，其采用新穎的電路和特殊的電路封裝方式，很好的解決目前現(xiàn)有風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)出現(xiàn)的剎車故障問題，提高了風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成［8］～［10］

如圖1所示，風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板、蓄電池、控制器和卸荷器等五大部分組成。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)圖Fig.1 Wind and solar lighting system

整個(gè)系統(tǒng)中，控制器的功能主要包括蓄電池的充放電管理、LED燈的通斷及全功率/半功率控制、風(fēng)機(jī)的充電及卸荷控制、系統(tǒng)軟硬件方面的保護(hù)等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制器原理

風(fēng)光互補(bǔ)控制器按功能模塊分為控制電路與功率電路，如圖2所示。

圖2 控制器硬件原理圖Fig.2 The controller hardware schematics

控制電路包括單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換電路、顯示按鍵電路、IO驅(qū)動(dòng)電路、硬件保護(hù)電路和接口電路;功率電路板采集到的蓄電池、太陽能電池板、LED燈的電壓和電流信號(hào)通過接口電路送入AD轉(zhuǎn)換電路，AD轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)，送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行處理，然后給出控制指令，發(fā)送給顯示按鍵電路和IO驅(qū)動(dòng)電路;

功率電路包括蓄電池電路、太陽能電池板電路、LED燈電路、風(fēng)力發(fā)電機(jī)電路、卸荷比較電路、風(fēng)機(jī)卸荷電路和接口電路，外部設(shè)備蓄電池、太陽能電池板、LED燈分別連接到蓄電池電路、太陽能電池板電路和LED燈電路，經(jīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電路輸出的電壓信號(hào)送入卸荷比較電路，由卸荷比較電路比較，并發(fā)出控制指令至風(fēng)機(jī)卸荷電路。

3.2 常規(guī)卸荷控制方法

在風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)中，當(dāng)蓄電池過充或風(fēng)速過高時(shí)需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行剎車，常用的保護(hù)控制方法是經(jīng)過控制器AD轉(zhuǎn)換電路采集風(fēng)機(jī)整理輸出電壓，通過單限比較電路來判斷風(fēng)機(jī)卸荷與否。

如圖3所示，Vcc_Wind、GND_Wind分別為風(fēng)機(jī)整流后的輸出端，LM393D為比較芯片，2腳為比較器輸入?yún)⒖茧妷憾恕?腳通過分壓電阻R23、R24將風(fēng)機(jī)輸入電壓輸入到3腳。TVS為穩(wěn)壓、防沖擊二極管，C10為濾波電容。通過比較風(fēng)機(jī)整流后的電壓來產(chǎn)生門控型號(hào)Gate Shunt輸出高，低電平來控制是否卸荷。

圖3 單限比較Fig.3 Single limit comparator

如圖3所示，單限比較器很靈敏，理想情況下比較器的輸入電壓達(dá)到參考電壓時(shí)，比較器切換輸出狀態(tài)，但是實(shí)際情況下風(fēng)能隨機(jī)性較大，產(chǎn)生的電壓斷斷續(xù)續(xù)，比較器的開關(guān)特性為非線性，于是會(huì)造成比較器平繁的切換狀態(tài)，抗干擾能力比較差。這時(shí)控制風(fēng)機(jī)卸荷的MOS開關(guān)管處于導(dǎo)通與半導(dǎo)通狀態(tài)，MOS容易燒毀，造成控制器的損壞。

3.3 新的卸荷控制方法

如圖4所示，根據(jù)圖3中單限比較器抗干擾能力差，我們引入滯回比較電路。通過輸出引腳1反饋到引腳3，電路的輸出特性在兩個(gè)閾值區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間兩個(gè)閾值點(diǎn)間進(jìn)行卸荷功能切換。不會(huì)頻繁切換工作狀態(tài)，提高了比較器的穩(wěn)定性，因而也就具有一定的抗干擾能力。其中12V為比較器的供電電壓，RM1為輸出端上拉電阻，R23、R25為分壓電阻，引腳2為參考電壓。

通過長期試驗(yàn)與工程應(yīng)用，采用滯回比較電路的卸荷預(yù)判系統(tǒng)能夠完善的保護(hù)控制器內(nèi)部開關(guān)元器件，挺高卸荷性能的穩(wěn)定性，達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的要求。

圖4 滯回比較器Fig.4 Hysteresis comparator

4 基板封裝技術(shù)

在風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)中，通過太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)蓄電池充電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的能量轉(zhuǎn)換，其中一部分能量通過熱能消耗掉，這對(duì)系統(tǒng)電路的穩(wěn)定性帶來很大風(fēng)險(xiǎn)，特別是在炎熱的夏天，戶外溫度達(dá)到40多少度，當(dāng)控制器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換或風(fēng)機(jī)卸荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)的進(jìn)行散熱，控制器內(nèi)部電子元件會(huì)隨溫度的上升而改變特性，導(dǎo)致控制器燒毀。

通過控制器電路設(shè)計(jì)規(guī)格，自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)成鋁基板封裝電路板。其獨(dú)特的金屬鋁板，具有良好的導(dǎo)熱性、電氣絕緣性能和機(jī)械加工性能。快速散發(fā)風(fēng)速很大時(shí)控制器功率過大損耗的熱量，可承受大電流和高溫度循環(huán)等沖擊，使風(fēng)光互補(bǔ)控制器具有高可靠性、低成本、低功耗等特點(diǎn)。

如圖5所示，控制器外部主要由外殼1、鋁基板2和散熱器3組成，鋁基板2位于外殼1底部，散熱器3與鋁基板2緊密貼合在一起。鋁基板2與散熱器3相接觸面涂有導(dǎo)熱硅脂，可承受大電流和高溫沖擊，控制器功率電路直接焊接在鋁基板上，鋁基板與散熱器相連，利于散熱。

通過長期試驗(yàn)與工程應(yīng)用，采用鋁基板封裝的風(fēng)光互補(bǔ)控制器在散熱性能上是一般控制器的10倍，能夠快速散發(fā)熱量，保護(hù)控制器。

圖5 控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Controller structure

5 結(jié)論

新型基板封裝的風(fēng)光互補(bǔ)LED照明控制器通過新型基板封裝技術(shù)以及智能卸荷模塊的接入功能，解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)過速造成的損害。這種方案一方面解決了風(fēng)力發(fā)電機(jī)過速制動(dòng)剎車、快速散熱，另一方面也提高風(fēng)能，太陽能供電可靠性和電能質(zhì)量。同時(shí)，該控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)潮流的控制，從而達(dá)到一定程度的削峰填谷的作用，既緩解了用電矛盾，也改善了電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)。

［1］彭路明.新型太陽能路燈控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［D］.新疆:新疆大學(xué).

［2］馮麗平.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［D］.上海:上海大學(xué).2007.

［3］王濤.小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制器的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［4］謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2000.

［5］吳建平，殷戰(zhàn)國，等.紅外反射式傳感器再自主式尋跡小車導(dǎo)航中的應(yīng)用［J］.中國測(cè)試技術(shù)，2004，30(6):21～23.

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［8］Freescale Semiconductor， Inc.MC9S12DG128 Device User Guide.

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