獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片的製作方法

2023-06-25 22:14:36 4

專利名稱：獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片的製作方法
技術領域：
本發明屬於集成電路領域，涉及高效能太陽能利用，具體涉及一種獨 立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片，它適用於獨立式光伏LED照明 系統的高效能、低成本、高穩定性系、高智能化解決方案。
背景技術：
太陽能具有取之不盡，用之不竭的特點，是當今可再生能源中發展速 度最快的能源之一，也是各國競相發展的重點。LED燈具有壽命長、效率 高、不產生熱量的眾多特點，越來越多地應用在照明領域，並呈現出取代 傳統照明光源的趨勢，廣泛應用於綠地照明、道路照明與交通指示、機場 跑道永久照明、廣告燈箱照明、城市造型景觀照明、家居照明及汽車照明 系統。
LED的工作電流是直流，且工作電壓較低。太陽電池將光能轉化為直 流電能，且太陽電池組件可以通過串並聯方式組合得到實際需要的電壓。 這些特點恰好與LED相匹配，兩者結合將無需任何的逆變裝置進行交、直 流轉換，將獲得很高的能源利用率、較高的安全性能和可靠性，實現節能、 環保、安全、高效能的照明系統，實現新能源開發與節能環保產品的完美 結合，能產生極高的社會效益和經濟效益。
目前，對於控制器的設計，國內外普遍的解決方案是使用多個集成電 路晶片通過板級電路互聯構成一個完整控制系統。這些集成電路晶片包括 單片機(MCU)晶片，ADC晶片，模擬開關電源轉換DC-DC晶片，模擬 開關電源LED恆流驅動晶片，實時時鐘晶片，溫度檢測晶片等。由於採用 晶片較多，所以成本居高不下，而且，由於所用晶片大多是通用晶片，芯 片的很多功能閒置，不僅造成資源浪費，而且各個晶片本身消耗功率較大，降低了整個系統的效率。另外，系統複雜，可靠性不高。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高效能、低成本並且高智能化的獨立式光
伏LED照明系統控制專用SoC晶片。
本發明所提供的獨立式光伏LED照明系統控制專用SoC晶片，其特徵 在於包括充電採樣電路、充電驅動電路、LED照明採樣電路、LED照明 驅動電路、控制模塊、溫度感測電路和保護電路；
充電採樣電路的輸入端分別與太陽能電池和蓄電池相連，其輸出端分 別與充電驅動電路和控制模塊相連；
充電驅動電路的輸入端分別與充電採樣電路和控制模塊相連，其輸出 端與充電部分功率變換電路相連；
LED照明採樣電路的輸入端分別蓄電池及LED電流採樣電阻相連，其 輸出端與LED照明驅動電路相連；
LED照明驅動電路的輸入端分別與LED照明採樣電路及控制模塊相 連，其輸出端與LED驅動部分功率變換電路相連；
溫度感測電路與控制模塊相連，將實時監測到的晶片溫度信號傳遞給 控制模塊；
保護電路的輸入端與充電驅動電路、LED照明驅動電路以及蓄電池中 的至少一個相連，其輸出端與控制模塊相連；
控制模塊分別接收充電採樣電路、溫度感測電路和保護電路傳遞的信 號，控制模塊對三種信號進行邏輯處理，控制充電驅動電路和LED照明驅 動電路的工作狀態。
作為本發明的改進，該晶片還包括最大功率點跟蹤電路，並在太陽能 電池的電流迴路中串聯電阻；最大功率點跟蹤電路的輸入端分別太陽能電 池及串聯電阻相連，其輸出端與充電驅動電路相連。該晶片也可以包括依次串接在蓄電池與充電驅動電路之間的蓄電池溫度檢測電路和浮充電壓溫
度補償電路。該晶片還可以包括LED亮度調節電路，LED亮度調節電路的 輸入端與控制模塊相連，其輸入端與LED照明驅動電路相連。控制模塊最 好採用為微控制器。
利用本發明所提供的SoC晶片構成的獨立式光伏LED照明系統功能如
下
白天或者有光時，太陽能電池有較高電壓輸出，通過SoC晶片中的充 電採樣電路可以感知此時處於太陽能電池給蓄電池充電狀態。通過該充電 採樣電路，基於太陽能電池輸出電壓和蓄電池蓄電狀態，選擇合適的蓄電 池充電策略(通過蓄電池充電驅動電路來選擇合適的充電電流和充電電 壓)。為提高太陽能電池的充電效率，此處可通過監測太陽能輸出的最大功 率點，採用最大功率點跟蹤(MPPT)技術來實現輸出太陽能電池的最大功 率。該充電控制電路還可以監測蓄電池狀態， 一旦蓄電池容量充滿，即刻 關閉充電電路。
到了晚間，或者光線很弱時，太陽能電池無輸出電壓或者輸出電壓很 低，SoC晶片充電採樣電路可以感知此時處於蓄電池放電、LED照明狀態。 通過LED照明採樣電路檢測負載LED的電流，通過LED照明控制和驅動 電路，控制LED照明用的功率轉換電路，為LED燈提供恆定的驅動電流。
上述SoC晶片為組建光伏LED照明系統提供的足夠的靈活性。針對不 同的照明亮度要求，可以選擇不同功率的LED燈，比如小功率的檯燈、草 坪燈(1W左右)，中功率的庭院燈、指示燈(IOW左右)，大功率的路燈、 裝飾燈、景觀燈(30W左右)。針對不同功率的LED燈，以及在無太陽狀 態下的工作時間要求，選擇不同容量、不同輸出電壓、不同類型的蓄電池， 比如小容量的鋰離子電池、鎳鉻電池和大容量的鉛酸電池。另外，根據光 照強度和系統功率要求，選擇不同容量的太陽能電池，不同容量的太陽能 電池具有不同的輸出電壓和輸出電流。本發明的SoC晶片為控制驅動晶片， 功率器件位於晶片外圍，為不同容量的系統需求的實現提供了可能。
6本發明的SoC晶片的充電策略可以根據不同的特定應用系統進行專門 設計，以實現高效能和低成本化的蓄電池充電電路。比如，所選太陽能電 池輸出電壓比蓄電池電壓高，可採用降壓式DCDC控制策略來實現高效率 的蓄電池充電，也可以線性控制策略來降低蓄電池充電電路成本。比如， 所選太陽能電池輸出電壓比蓄電池電壓低，可以採用電荷泵式升壓電路， 也可以採用升壓式DCDC電路實現蓄電池充電功能。
本發明的SoC晶片LED照明驅動策略可以根據不同的特定應用系統進 行專門設計，以實現高效能和低成本化的LED照明驅動電路。比如，LED 燈串聯個數較少，LED燈的電壓降低於蓄電池輸出電壓，則可以採用降壓 式DCDC電路來實現恆流LED驅動，也可以採用線性電流源電路來驅動 LED。比如，LED燈串聯個數較多，LED的電壓降高於蓄電池輸出電壓， 則可以採用升壓式DCDC電路來實現恆流LED驅動。
為了增加晶片可靠性，晶片中可以增加溫度感測電路和保護電路，保 障過溫、過流、電池反接等故障狀態下晶片及系統的安全。
為了增加晶片的可操作性，晶片還可以組建適當的人機接口，讓人可 以根據實際應用系統的要求對晶片進行適當的配置，並將系統的工作狀態 通過人機接口進行顯示。
本發明的有益效果是，可以通過少量外圍元器件，輕鬆構成獨立式光 伏LED照明系統，系統具有低成本、高效能、小體積、高智能化等諸多優 點。


圖1為本發明的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片原理圖。
圖2為在圖1基礎上加上人機接口電路的簡便性晶片原理圖。
圖3為在圖2基礎上增加了太陽能最大功率點跟蹤技術的晶片原理圖。
圖4為在圖2基礎上增加了浮充電壓溫度補償電路的晶片原理圖。
圖5為在圖2基礎上增加了 LED亮度調節功能的晶片原理圖。
圖6為在圖2基礎上採用了 MCU實現純數字算法實現開關電源的晶片原理圖。
具體實施例方式
本發明提供的SoC晶片lOO只需少量外圍元器件，包括太陽能電池lOl、 蓄電池103、 LED燈105、充電部分功率變換電路102、 LED驅動部分功率 變換電路104， LED電流採樣電阻Rs 106，輸入和顯示器件114即可構成 高效能、低成本、高智能化的獨立式光伏LED照明系統。
如圖1所示，本發明所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片 第一實施例包括充電採樣電路107、充電驅動電路108、 LED照明採樣電 路123、 LED照明驅動電路110、控制模塊109、溫度感測電路111和保護 電路113。該晶片最大的特點也是其優點即是單顆晶片解決獨立式光伏 LED照明系統的所有控制功能，大大縮小系統體積，降低系統建設和維護 成本，並增加系統可靠性，提高太陽能利用效率。
充電採樣電路107的輸入端分別與太陽能電池101和蓄電池103相連， 其輸出端分別與充電驅動電路108和控制模塊109相連。它用於檢測太陽 能電池板的輸出電壓和蓄電池電壓，作用有兩個，以下對其分別進行介紹。
第一個作用是判斷光伏LED系統是處於有陽光的蓄電池充電狀態，還 是無太陽光的LED照明狀態，並將該信號傳遞給控制模塊109和充電驅動 電路108。
當LED系統處於有太陽光的LED照明狀態時，控制模塊109允許太陽 能電池101給蓄電池103充電，同時充電採樣電路107通知充電驅動電路 108，充電驅動電路108將開始工作，控制功率變換電路102，為蓄電池提 供合適的充電電流和電壓。當系統處於無太陽光的LED照明狀態時，控制 模塊109禁止太陽能電池101給蓄電池103充電，同時充電採樣電路107 通知充電驅動電路108，禁止其工作。
充電驅動電路108和LED照明驅動電路110不能同時處於工作狀態。 白天，充電電路工作，LED照明電路完全關閉；晚上或者光照很弱時，LED 照明電路工作，充電電路完全關閉。
8第二個作用是判斷電池的狀態，進而決定採用何種充電策略。典型的 鉛酸充電策略是採用快充、過充、浮充的三階段充電方法(1)快充階段.. 在快充階段，充電電路的輸出等效於電流源。電流源的輸出電流根據蓄電 池的充電狀態確定，為蓄電池最大可接受電流IMAX。充電過程中，電路 檢測蓄電池端電壓。當蓄電池端電壓上升到轉換門限值後，充電電路轉到 過充階段。(2)過充階段在過充階段，充電電路對蓄電池提供一個較高
電壓Voc，同時檢測充電電流。當充電電流降到低於轉換門限值Ioct時，認
為蓄電池電量已充滿，充電電路轉到浮充階段。(3)浮充階段在浮充階
段，充電電流給蓄電池提供一個精確的、具有溫度補償功能的浮充電壓VF。 不同的光伏LED系統，太陽能電池的輸出電壓VS與蓄電池電壓VB 存在三種情況VS>VB， VS"VB， VS<VB。不同的情況下，充電部分功 率變換電路102將採用不同的電路模式。當VS〉VB時，可以採取的充電電 路模式為降壓型DCDC電路，或者LDO型電源電路；當VS"VB時，可 以採取的充電電路模式為升降壓型DCDC電路；當VS<VB時，可以採取 的充電電路模式為升壓型DCDC電路，或者電荷泵電路。不同的充電部分 功率變換電路102，需要不同的充電驅動電路108。具體的選擇方法是依據 太陽能電池輸出電壓、蓄電池電壓，以及系統的成本和效率考慮。
控制模塊109的輸入信號包括充電採樣電路107檢測到是否有充足 陽光的充電控制信號，溫度感測電路111檢測到的晶片溫度是否正常的控 制信號，保護電路113檢測到的晶片是否有其它諸如過流、過壓、電池反 接等非正常工作信號。控制模塊109對上述4類信號進行邏輯處理，得出 三種狀態充電電路(包括充電驅動電路108、充電部分功率變換電路102, 文中的"充電電路"均指這兩塊電路模塊，下同)工作LED照明電路(包 括LED照明驅動電路110、 LED照明部分功率變換電路104，文中的"LED 照明電路"均指這兩塊電路模塊，下同)不工作、充電電路不工作LED照 明電路工作、充電電路和LED照明電路均不工作。這三種狀態將決定充電 驅動電路108和LED照明驅動電路110是否工作。另外，根據系統需求，如果LED燈需要有亮度調節功能，該亮度調節信號也由控制模塊109產生。 如果系統還有其他控制信號，也一併交給控制模塊109處理，比如晶片全 局使能信號、全局復位信號等等。
LED照明採樣電路123通過檢測蓄電池103的輸出電壓，以及流過LED 燈105的電流信號(通過與LED燈105串聯的電流檢測電阻106產生)， 進而反饋到LED照明驅動電路llO，產生LED照明的恆流控制信號，控制 功率變換電路104，為LED燈提供恆定電流。
一旦控制模塊109允許LED燈105工作，同時基於LED照明採樣電路 120檢測到的LED燈105負載電流和蓄電池103輸出電壓，LED照明驅動 電路110將開始工作，控制功率變換電路104，為LED燈提供恆定的電流 信號。
類似於晶片的充電電路部分，此處的LED驅動電路也存在三種情況 VB>VLED， VB"VLED， VB<VLED，此處的VLED指LED燈105上的 電壓降。不同的情況下，功率變換電路104將採用不同的電路模式。當 VB〉VLED時，可以採取的LED驅動電路模式為降壓型DCDC電路，或者 LDO型電源電路(出於效率考慮，DCDC電路模式得到普遍應用)；當VB VLED時，可以採取的LED驅動電路模式為升降壓型DCDC電路；當 VB〈VLED時，LED驅動電路模式可以採取升壓型DCDC電路。不同的功 率變換電路104，需要不同的充電驅動電路IIO。具體的選擇方法是依據蓄 電池電壓、LED燈串聯個數及其電壓降，以及系統的成本和效率考慮。
溫度感測電路111是一個晶片內部集成的溫度傳感器，能實時監測芯 片溫度。 一旦晶片溫度超過某一設定閾值，晶片將可能遇到燒毀的危險， 將該過溫信號輸入到控制模塊109，可關閉整個晶片，直至晶片溫度降低和 合適範圍。
保護電流113具有多種保護功能的任意一種或任意組合。保護功能包 括充電迴路過流保護，LED驅動過流保護，蓄電池103剩餘電量過低保 護，蓄電池103反接保護，蓄電池103過溫保護等等。第一實施例中沒有 人機接口電路，外界無法也無需對系統進行控制，系統組建方案和工作狀
10態由晶片內部機制自動完成。
如圖2所示，本發明所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片 第二實施例在第一實施例的基礎上，加上人機接口電路112，
人機接口電路112是外界與晶片的交互式接口部分。外界對LED燈的 亮度調節信號，亮燈方式控制信號，系統片內時鐘校準信號等均通過人機 接口電路112輸入給晶片內部。晶片的狀態顯示信號，比如太陽能充電狀 態、LED照明狀態、系統故障狀態、蓄電池電量過低狀態等均可以通過人 機接口電路112輸出到晶片外部進行顯示。
人機接口電路112與控制模塊109相連，將外部的控制信息傳送給控 制模塊109，然後由控制模塊109處理後傳給108和110 。例如，夜間照 明狀態時，人們通過人機接口電路112調節燈的亮度，此信息由109處理 後傳給IIO以達到目的。
控制模塊109產生的所有狀態，可以通過人機接口電路112輸出顯示。
如圖3所示，本發明所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片 第三實施例是在第二實施例的基礎上，在太陽能電池的電流迴路中串聯一 個電阻116，用於檢測太陽能電池的輸出電流，同時檢測太陽能電池的輸出 電壓，將該電流信號和電壓信號送給晶片的最大功率點跟蹤電路115，獲得 最大的太陽能輸出功率。最大功率點跟蹤電路115的作用是控制充電的電 壓和電流，使太陽能電池的輸出功率達到最大，而不是只關注電流或者電 壓，以使充電效率達到最優值。
如圖4所示，本發明所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片 第四實施例在第二實施例的基礎上，增加了浮充電壓溫度補償電路。蓄電 池在充滿電後，保持電量的最好方法就是加一個恆定電壓到蓄電池上。這 對充電電路提出了提供合適浮充電壓的要求。浮充電壓值既要足夠大，能 補償蓄電池的自放電電流；又不能太大，以免導致蓄電池內部因過充而發 生化學成分的分解。因此，通過蓄電池溫度檢測電路117檢測蓄電池溫度 並將此溫度傳給浮充電壓溫度補償電路118，而後浮充電壓溫度補償電路
iiU8根據所接受到的溫度信息為第三階段的浮充狀態選擇合適的充電電壓。
具體實施方法為浮充電壓溫度補償電路118根據不同的溫度提供一個不
同的電壓，將此電壓傳給充電驅動電路108作為參考電壓，最後使蓄電池 兩端的電壓穩定在某一數值上。增加了浮充電壓溫度補償電路118的晶片 結構框圖如圖4所示。
如圖5所示，本發明所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片 第三實施例在第一實施例的基礎上，增加了 LED亮度調節功能。為改變LED 燈105亮度，改變其驅動電流即可。將外界輸出的亮度調節信號通過人機 接口電路112輸入到控制中心，或者通過控制中心的定時器自動產生LED 燈亮度調節信號，通過LED亮度調節電路119輸出到LED照明驅動電路 110，即可為LED燈產生不同的恆定電流。增加了LED亮度調節功能的芯 片框圖如圖5所示。
上述各圖中的控制模塊109的功能既可通過一個相對獨立的電路單元 實現，也可通過各個部分的電路協同實現，或者二者皆有。
下面通過藉助以下實施例將更加詳細說明本發明，且以下實施例僅是 說明性的，本發明並不受這些實施例的限制。
如果控制模塊109的功能是通過獨立的電路實現，則可以採用MCU實 現，利用軟體實現其邏輯控制功能。充電驅動電路108和LED照明驅動電 路110可以採用傳統的模擬開關電路方式實現，也可以採用新型的數字式 開關電源實現。基於數字式的開關電源中，充電驅動電路108和LED照明 驅動電路IIO,兩者的控制電路由於工作的不同時性，可以統一採用片內的 微控制器MCU 120來完成純數字的算法。
如果控制中心的功能通過各個部分的電路協同實現時108， 110還要肩 負控制電路的功能。
針對不同的太陽能電池101輸出電壓和蓄電池103電壓情況，充電部 分功率變換電路102可以採用下列5種電路形式的一種降壓型DCDC電 路、LDO電路、升壓型DCDC電路、電荷泵電路、升降壓型DCDC電路。 無論上述何種充電部分功率變換電路102形式，均需要按照實際電路連接方式設計不同的充電驅動電路108。
針對不同的蓄電池103電壓和LED燈105串聯個數，LED驅動部分功 率變換電路104可以採用下列4種電路形式的一種降壓型DCDC電路、 LDO電路、升壓型DCDC電路、電荷泵電路、升降壓型DCDC電路。無論 上述何種LED驅動部分功率變換電路104形式，均需要按照實際電路連接 方式設計不同的LED照明驅動電路110。
溫度感測電路111的具體實施可利用三級管的正負溫度係數輸出電壓 控制控制模塊的關斷。
本發明不僅局限於上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發 明公開的內容，可以採用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是 採用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入 本發明保護的範圍。
1權利要求
1、一種獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片，其特徵在於它包括充電採樣電路(107)、充電驅動電路(108)、LED照明採樣電路(123)、LED照明驅動電路(110)、控制模塊(109)、溫度感測電路(111)和保護電路(113)；充電採樣電路(107)的輸入端分別與太陽能電池(101)和蓄電池(103)相連，其輸出端分別與充電驅動電路(108)和控制模塊(109)相連；充電驅動電路(108)的輸入端分別與充電採樣電路(107)和控制模塊(109)相連，其輸出端與充電部分功率變換電路(102)相連；LED照明採樣電路(123)的輸入端分別與蓄電池(103)及LED電流採樣電阻(106)相連，其輸出端與LED照明驅動電路(110)相連；LED照明驅動電路(110)的輸入端分別與LED照明採樣電路(123)及控制模塊(109)相連，其輸出端與LED驅動部分功率變換電路(104)相連；溫度感測電路(111)與控制模塊(109)相連，將實時監測到的晶片溫度信號傳遞給控制模塊(109)；保護電路(113)的輸入端與充電驅動電路(108)、LED照明驅動電路(110)以及蓄電池(103)中的至少一個相連，其輸出端與控制模塊(109)相連；控制模塊(109)分別接收充電採樣電路(107)、溫度感測電路(111)和保護電路(113)傳遞的信號，控制模塊(109)對三種信號進行邏輯處理，控制充電驅動電路(108)和LED照明驅動電路(110)的工作狀態。
2、 根據權利要求1所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片， 其特徵在於該晶片還包括與控制模塊(109)相連的人機接口電路(U2)。
3、根據權利要求1所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片， 其特徵在於該晶片還包括最大功率點跟蹤電路(115)，並在太陽能電池的 電流迴路中串聯電阻(116);最大功率點跟蹤電路(115)的輸入端分別太陽能 電池(101)及串聯電阻(116)相連，其輸出端與充電驅動電路(108)相連。
4、 根據權利要求1所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC晶片， 其特徵在於該晶片還包括依次串接在蓄電池(103)與充電驅動電路(108)之 間的蓄電池溫度檢測電路(l 17)和浮充電壓溫度補償電路(l 18)。
5、 根據權利要求1至4中任一所述的獨立式光伏LED照明專用控制 器SoC晶片，其特徵在於該晶片還包括LED亮度調節電路(119)， LED 亮度調節電路(119)的輸入端與控制模塊(109灘連，其輸入端與LED照明驅 動電路(110)相連。
6、 根據權利要求5中任一所述的獨立式光伏LED照明專用控制器SoC 晶片，其特徵在於控制模塊(109)採用微控制器實現。
全文摘要
本發明公開了一種獨立式光伏LED照明系統控制專用SoC晶片，它包括充電採樣電路、充電驅動電路、LED照明採樣電路、LED照明驅動電路、控制模塊、溫度感測電路和保護電路。充電採樣電路的輸入端分別與太陽能電池和蓄電池相連，其輸出端分別與充電驅動電路和控制模塊相連；LED照明採樣電路通過控制功率變換電路，為LED燈提供恆定電流；充電驅動電路控制功率變換電路為蓄電池提供合適的充電電流和電壓；LED照明驅動電路在接收到控制模塊提供的照明信息時，控制LED燈工作。本發明可以通過少量外圍元器件，輕鬆構成獨立式光伏LED照明系統，系統具有低成本、高效能、小體積、高智能化等諸多優點。
文檔編號H02J7/00GK101505565SQ200910061080
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月11日 優先權日2009年3月11日
發明者餘國義, 溫朝曄, 鄒志革, 鄒雪城, 陳曉飛, 雷鑑銘 申請人:華中科技大學