CN107592700A - 一种光伏mppt型恒流一体路灯控制器电路 - Google Patents

一种光伏mppt型恒流一体路灯控制器电路 Download PDF

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梁新田
蔡磊
闫晓磊
刘增辉
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Abstract

一种光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其主电路由BOOST/BUCK一体电路、路灯串联电路、光伏电池板串联电路和蓄电池串联电路组成。路灯串联电路与光伏电池板串联电路并联，与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连。白天主电路工作在BUCK模式，光伏电池板串联电路参与工作；夜晚主电路工作在BOOST模式，路灯串联电路参与工作；光伏电池板串联电路白天作为主电路的电源，通过BOOST/BUCK一体电路为蓄电池充电，夜晚切除出电路。路灯串联电路夜晚作为主电路的负载，蓄电池作为主电路的电源，通过BOOST/BUCK一体电路为路灯串联电路供电，白天切除出电路。

Description

一种光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路
技术领域
本发明涉及一种路灯控制器电路。
背景技术
光伏能源在很多特殊地形、场合下无法被其他能源形势替代。在山区等人员稀少地区，光伏路灯控制器产品可以在免除电缆敷设、变电装置架设、变电站建造的情况下，满足晚间照明需求。
目前的路灯控制器拓扑一般多为BUCK、BOOST分开形式。光伏组件通过BUCK电路为蓄电池充电，晚间蓄电池通过BOOST电路为LED路灯供电。这种整体电路拓扑比较清晰，但器件较多，结构复杂，PCB板的面积较大，成本比较高，且对于产品的小型化、紧凑化不利。由于充、放电均采用二极管续流，效率均比较低。器件作用较为单一，设计寿命内的器件利用率不高，即BUCK电路和BOOST电路是两个完全独立的部分，主电路中的器件在两种不同的模式下，必然有一部分处于闲置状态。白天，主电路工作在BUCK模式，光伏电池板组件通过BUCK电路降压后给蓄电池充电，BOOST电路处于闲置状态；晚间，主电路工作在BOOST模式，蓄电池通过BOOST电路升压后给路灯供电，BUCK电路处于闲置状态。所以不论主电路工作在哪种模式下，都造成器件的浪费。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术电能利用效率较低、器件成本偏高的缺点，提出一种光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路。
本发明将BOOST电路与BUCK电路整合为一体。BOOST电路的输入端即为BUCK电路的输出端；BOOST电路的输出端即为BUCK电路的输入端。不同的运行模式下，电流在同一回路进行不同方向的流动，以实现蓄电池的充电或路灯的照明。在BUCK模式下，光伏电池板组件通过一体电路，为蓄电池充电；BOOST模式下，电池通过一体电路，为路灯提供电能。
本发明包括主电路和服务于主电路的各功能模块电路。
本发明的主电路由BOOST/BUCK一体电路、路灯串联电路、光伏电池板串联电路和蓄电池串联电路组成。
所述的路灯串联电路与光伏电池板串联电路并联，该并联支路的正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连。白天，主电路工作在BUCK模式，光伏电池板串联电路参与工作，其正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连；夜晚，主电路工作在BOOST模式，路灯串联电路参与工作，其正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连。
光伏电池板串联电路白天作为主电路的电源，通过BOOST/BUCK一体电路为蓄电池充电，夜晚切除出电路，不参与工作。路灯串联电路夜晚作为主电路的负载，蓄电池作为主电路的电源，通过BOOST/BUCK一体电路为路灯串联电路供电，白天切除出电路，不参与工作。
蓄电池串联电路和BOOST/BUCK一体电路并联，蓄电池串联电路的正、负极端口分别与BOOST/BUCK一体电路输出端的正、负极相连，白天由光伏光伏电池板串联电路为蓄电池串联电路充电，夜晚蓄电池串联电路作为电源为路灯串联电路供电。
本发明的BOOST/BUCK一体电路与典型BUCK电路的区别是：采用与斩波的开关半导体器件相同的器件MOSFET替代典型BUCK电路中的二极管。
本发明服务于主电路的各功能模块电路包括：控制电路、电源供电电路、电压采样电路、电流采样电路、外部温度采样电路、驱动电路、LED指示电路和红外信号接收发送电路。
各电路之间的连接关系为：
电源供电电路的输入端与蓄电池串联电路并联，该并联支路的正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输出端相连。电源供电电路将蓄电池串联电路的电压降压后，为充电电流采样电路、负载电流采样电路、输入电压状态采样电路、负载电压采样电路、电池电压采样电路、驱动电路、控制电路、外部温度采样电路、红外信号接收发送电路、LED指示电路供电，即电源供电电路从与其并联的蓄电池串联电路中获取电能，作为各功能模块的电源，使各功能模块为与其相连接的主电路部分服务。
输入电压状态采样电路的输入端连接至光伏电池板串联电路，输入电压状态采样电路的输出端连接至控制电路的单片机的信号输入管脚。输入电压状态采样电路检测光伏电池板是否接反，以及在连接正确情况下，是否达到为蓄电池充电的电压，将检测到的信号传输给单片机进行判断。
电池电压采样电路的输入端连接至蓄电池串联电路，电池电压采样电路的输出端连接至控制电路的单片机的信号输入管脚，采集蓄电池串联电路两端的电压，并将采集的电压信号传输给单片机进行计算。
负载电压采集电路的输入端连接至路灯串联电路，负载电压采集电路的输出端连接至控制电路的单片机的信号输入管脚，采集路灯两端的电压，并将采集的电压信号传输给单片机进行计算。
充电电流采样电路的输入端连接至光伏电池板串联电路。充电电流采样电路的输出端连接至控制电路的单片机的信号输入管脚，采集白天光伏电池板组件为蓄电池充电的电流，并将信号传输给单片机进行计算。
负载电流采集电路的输入端连接至路灯串联电路，负载电流采集电路的输出端有3个，第一输出端连接至控制电路的单片机的信号输入管脚，将负载电流信号传输给单片机；第二输出端连接至控制电路的单片机的过流信号输入管脚，当电流超过设定值时，对单片机输出信号进行报警；第三输出端直接连接至负载串联电路的半导体开关器件的栅极，当电流超过设定值时，关断半导体开关器件，把路灯从主电路中切出。
外部温度采样电路的输出端连接至控制电路单片机的温度信号对应管脚。由电源供电电路提供的电压作为电源。外部温度采样电路由一个NTC电阻与一个普通电阻串联组成，外部温度采样电路输出的信号即为NTC电阻两端的电压，根据电阻分压原理计算出NTC的电阻值，然后根据“NTC规格书”中的电阻值与温度值的对应关系计算出环境温度。NTC电阻的阻值随着温度变化而变化，由此检测外部环境温度，并将信号传输给单片机。
驱动电路分为五路，分别驱动主电路中的MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4和Q5：
第一路驱动电路为MOSFET开关管Q1驱动电路，对应经典BOOST电路拓扑中的MOSFET的驱动电路。该路驱动电路的输入端与控制电路的单片机的驱动信号发出管脚相连，输出端连接BOOST/BUCK一体电路中的MOSFET开关管Q1的栅极，在BOOST模式下，将单片机发出的PWM信号传递给MOSFET开关管Q1，并提供开通、关断MOSFET开关管Q1所需能量，以实现BOOST电路的运行。
第二路驱动电路为MOSFET开关管Q2驱动电路，对应经典BUCK电路拓扑中的MOSFET开关管Q2的驱动电路。该驱动电路的输入端与控制电路的单片机的驱动信号发出管脚相连，驱动电路的输出端连接BOOST/BUCK一体电路中的MOSFET开关管Q2的栅极，在BUCK模式下，将单片机发出的PWM信号传递给MOSFET开关管Q2，并提供开通、关断MOSFET开关管Q2所需能量，以实现BUCK电路的运行。
第三路驱动电路为MOSFET开关管Q3驱动电路，驱动主电路中控制负载续流的MOSFET开关管Q3。该路驱动电路的输入端与控制电路的单片机的驱动信号发出管脚相连，输出端连接到此MOSFET开关管Q3的栅极，将单片机发出的高、低电平信号传递给MOSFET开关管Q3，并提供MOSFET开关管Q3开通、关断所需能量，以实现将路灯投入、切出主电路的动作。
第四路驱动电路为MOSFET开关管Q4驱动电路，驱动主电路中控制光伏电池板组件续流的MOSFET开关管Q4。该路驱动电路的输入端与控制电路的单片机的驱动信号发出管脚相连，输出端连接到此MOSFET开关管Q4的栅极，将单片机发出的高、低电平信号传递给MOSFET开关管Q4，并提供MOSFET开关管Q4开通、关断所需能量，以实现将光伏电池板组件投入、切出主电路的动作。
第五路驱动电路为MOSFET开关管Q5驱动电路，电路驱动主电路中控制蓄电池续流的MOSFET开关管Q5，该路驱动电路的输入端与蓄电池的正极相连，输出端连接到此MOSFET开关管Q5的栅极。在主电路正极母线电压较低时，关断MOSFET开关管Q5，将蓄电池切除出主电路，防止蓄电池放电过深。
LED指示电路一共有三组，三组LED指示电路的输入端分别与控制电路中的单片机对应的三个管脚相连接，向用户显示电路的工作状态。
红外信号接收发送电路分为发送和接收两部分。接收电路的输入端与单片机对应的信号发出管脚连接，输出红外信号，为向用户的手持终端设备发送路灯控制器的数据。发送电路的输出端与单片机对应的信号接收管脚连接，输入红外信号，接收用户的手持终端设备发送过来的红外信号，对路灯控制器进行控制。
控制电路的输入端与电压采样电路、电流采样电路、外部温度采样电路、红外信号接收发送电路等电路模块的输出端相连。控制电路的输出端与驱动电路、红外信号发送电路、LED指示电路等电路模块的输入端相连。控制电路对采集到的电压、电流、温度数据进行计算处理、存储，控制主电路的工作模式，在故障情况下及时发出保护信号，与外部的手持终端设备进行数据交换。
本发明的工作过程是，白天，光伏电池板串联电路产生电能，BUCK电路启动，为蓄电池充电，并检测光伏电池板串联电路的电压、电流等数据。在非正常情况下，例如过压、电压接反等情况，对光伏电池板串联电路进行保护。夜间，蓄电池充电电路通过BOOST电路给路灯串连电路供电，并检测路灯串联电路的电压、电流等数据，在过流、过压等情况下对路灯串联电路进行保护。
本发明利用电路、器件特性，使BUCK电路与BOOST电路共用电感、电容、及MOSFET开关管，通过光伏电池板串联电路和路灯串联电路中MOSFET开关管的导通与关断，切换蓄电池充电与放电的回路，完成BOOST/BUCK一体电路在BUCK和BOOST不同模式下的工作。不论处于何种模式，主电路器件的利用率较高，器件空闲时间少。在电感、电容、MOSFET等器件数量减少的情况下，电路板的尺寸也随之缩小，产品内部的空间利用率更大，且整体尺寸有所缩减。产品整体的小型化，不仅在成本方面更具优势，运输成本也随之降低，在载重不变的情况下，可以运输更多产品。且在用户安装产品时，对于安装地点的要求也更低。在使用寿命内，MOSFET比二极管的导通损耗小，可以提高电能利用效率。
因此，本发明节省了器件的成本。采用MPPT的工作模式，并且使用MOSFET进行斩波、电流的续流，从软件及硬件两方面，共同促使电路的效率更高，也使光伏电池板的发电效能最大化。
附图说明
图1a为传统路灯控制器主电路框图；
图1b为本发明MPPT型恒流一体路灯控制器主电路框图；
图2为本发明主电路原理图；
图3为各电路关系框图；
图4为电源电路原理图；
图5为电压状态检测电路原理图；
图6为电压采样电路原理图；
图7为负载电流采样电路原理图；
图8充电电流采样电路原理图；
图9外部温度采样电路原理图；
图10驱动电路原理图；
图11驱动电路原理图；
图12驱动电路原理图；
图13LED指示电路原理图；
图14红外信号接收发送电路原理图；
图15控制电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1b所示，本发明将BOOST电路与BUCK电路整合为一体。BOOST电路的输入端即为BUCK电路的输出端；BOOST电路的输出端即为BUCK电路的输入端。BOOST/BUCK一体电路在BUCK模式下，电能流动方向为黑色实心箭头所示，从光伏电池板串联电路流入BOOST/BUCK一体电路的输入端，经过BUCK电路为蓄电池充电。在BOOST模式下，电能流动方向为黑色空心箭头所示，从蓄电池串联电路流入BOOST/BUCK一体电路，经过BOOST电路为路灯串联电路供电。电感、电容等能量器件在两种模式下均得到有效的利用。且为路灯续流的MOSFET、为光伏电池板组件续流的MOSFET、为蓄电池续流的MOSFET均比图1a所示的经典电路中的二极管类器件的压降低、导通损耗小，可有效利用电能。MOSFET作为可控器件，故障时可以根据需要快速切断线路，保护设备。电池在两种模式的切换下，也实现了从负载到电源的转换。
如图1b、图3所示，本发明包括主电路及服务于主电路的各功能模块电路：控制电路101，充电电流采样电路102，负载电流采样电路103，输入电压状态采样电路104，负载电压采样电路105，电池电压采样电路106，外部温度采样电路107，LED指示电路108，红外信号接收发送电路109，驱动电路110、111、112、113、114，以及电源电路115。
如图2所示，主电路由光伏电池板串联电路、路灯串联电路、BOOST/BUCK一体电路和蓄电池串联电路组成。所述的路灯串联电路与光伏电池板串联电路并联，该并联支路的正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连。白天，主路工作在BUCK模式，光伏电池板串联电路参与工作，其正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连；夜晚，主电路工作在BOOST模式，路灯串联电路参与工作，其正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连。
蓄电池串联电路和BOOST/BUCK一体电路并联，蓄电池串联电路的正、负极端口分别与BOOST/BUCK一体电路输出端的正、负极相连，白天由光伏光伏电池板串联电路为蓄电池串联电路充电，夜晚蓄电池串联电路作为电源为路灯串联电路供电。
BOOST/BUCK一体电路的输入端并联路灯串联电路和光伏电池板串联电路。
光伏电池板串联电路由光伏电池板组件、MOSFET开关管Q4和第二检测电阻R2串联组成。光伏电池板串联电路的正极，即光伏电池板的正极，连接BOOST/BUCK一体电路输入端的正极。光伏电池板组件的负极连接MOSFET开关管Q4的源极，MOSFET开关管Q4的漏极连接到第二检测电阻R2的一端。第二检测电阻R2的另一端与BOOST/BUCK一体电路的输入端的负极相连。
路灯串联电路由路灯、MOSFET开关管Q3、第一检测电阻R1串联组成。路灯串联电路的正极，即路灯的正极，连接BOOST/BUCK一体电路输入端的正极。路灯的负极连接MOSFET开关管Q3的源极。MOSFET开关管Q3的漏极，连接第一检测电阻R1的一端。第一检测电阻R1的另一端与BOOST/BUCK一体电路的输入端的负极相连。
BOOST/BUCK一体电路输入端的正极为MOSFET开关管Q2的源极，MOSFET开关管Q2的漏极连接MOSFET开关管Q1的源极。BOOST/BUCK一体电路的负极为MOSFET开关管Q1的漏极。第一电容组C1的正极连接在BOOST/BUCK一体电路的正极，即MOSFET开关管Q2的源极。第一电容组C1的负极连接在BOOST/BUCK一体电路的负极，即MOSFET开关管Q1的漏极。储能电感L的一端与MOSFET开关管Q1的源极相连，储能电感L的另一端连接第二电容组C2的正极。第二电容组C2的负极连接MOSFET开关管Q1的漏极。第二电容组C2的正极作为BOOST/BUCK一体电路的输出端的正极，连接蓄电池串联电路的正极；第二电容组C2的负极作为BOOST/BUCK一体电路输出端的负极，连接蓄电池串联电路中MOSFET开关管Q5的漏极，Q5的源极接至蓄电池的负极。
电源供电电路115的输出端分别与控制电路101，充电电流采样电路102，负载电流采样电路103，输入电压状态采样电路104，负载电压采样电路105，电池电压采样电路106，外部温度采样电路107，LED指示电路108，红外信号接收发送电路109，MOSFET开关管Q1驱动电路110、MOSFET开关管Q2驱动电路111、MOSFET开关管Q3驱动电路112、MOSFET开关管Q4驱动电路113、MOSFET开关管Q5驱动电路114的电源端口相连。
电源供电电路将蓄电池串联电路的输出电压转换为11.4V和3.3V两个电压等级。第一级电源电路提供的11.4V的电压为MOSFET开关管Q1驱动电路110、MOSFET开关管Q2驱动电路111、MOSFET开关管Q3驱动电路112和MOSFET开关管Q4驱动电路113提供驱动电压。第二级电源电路提供的3.3V的电压给控制电路101、充电电流采样电路102，负载电流采样电路103，输入电压状态采样电路104，负载电压采样电路105，电池电压采样电路106，外部温度采样电路107，LED指示电路108和红外信号接收发送电路109供电。
如图4所示，提供11.4V电压的第一级电源电路中，蓄电池串联电路为非稳定电压电源，蓄电池串联电路的正极与防反二极管D10的阳极相连，防反二极管D10的阴极与电容C18的一端、电阻R29的一端，以及三极管Q8的集电极相连。电容C18另一端接至GND，初步稳压后，电阻R29的另一端与三极管Q8的基极及稳压管DZ2的阴极连接，为三极管Q8提供偏置电流，从而导通三极管。稳压管DZ2的阳极接至GND，稳定住基极电压。电容C16和稳压管DZ2并联在一起，与三极管Q8构成电子滤波电路，利用三极管Q8的放大作用，在三极管Q8的发射极获得放大倍数的滤波效果。
提供3.3V电压的第二级电源电路使用第一级电路输出的11.4V作为电源，在宽范围输入稳压模块VR1的输入侧并联滤波电容C19，降压后，在宽范围输入稳压模块VR1的输出侧并联滤波电容C20，将输出电压稳定在3.3V。
如图5所示，输入电压状态采样电路104由二极管、光耦及电阻器串联组成，采集光伏电池板串联电路输入处的电压。当光伏电池板串联电路电压等级超过预设电压阈值时，光耦U20内部的三极管导通，光耦U20的第4管脚PA11由高电平变成低电平，此信号传输给控制电路101，以判断是否启动BUCK电路。光伏电池板输入端反向并联一组防反检测电路，当光伏电池板接反且达到预设电压值时，光耦U21内部的三极管导通，光耦U21的第4管脚PA12由高电平变成低电平，此信号反馈给控制电路101，以判断电池板是否正负极接反。
负载电压采样电路105与电池电压采样电路106的电路拓扑相同，如图6所示。负载电压采样电路105与电池电压采样电路106采用串联电阻分压形式，按两个电阻阻值比例降低采样点电压，以检测蓄电池串联电路两端和路灯串联电路两端的电压，并将电压信号传递给控制电路。电压采样电路输出端并联电容C29，用以滤波。
负载电流检测电路103由差分放大电路和正向比较器组成，如图7所示，差分放大电路的输出与正向比较器的同相输入端相连。夜晚，差分放大电路工作在BOOST模式，主电路中的MOSFET开关管Q3、Q5处于导通状态。为路灯供电的电流流经图2所示的主电路低阻值的第一检测电阻R1，根据欧姆定律，由第一检测电阻R1将电流信号转换为小电压信号，在第一检测电阻R1两端产生的小电压信号Vin送至负载电流检测电路103，经过由运算放大器U6A、电阻、电容组成的差分放大电路放大15倍后，从运算放大器U6A的第1管脚输出，差分放大电路输出电压VOUT传输给控制电路101，进行运算处理。放大倍数计算公式如下：
∵R52＝R53,R51＝R57
且
其中，VIN为经过采样电阻的负载电流产生的电压信号；
VOUT为差分放大电路输出电压，即15倍的VIN；
VGND为电路中的参考地，0电平；
R51,R52,R53,R55,R57为图7差分放大电路中参与运算的电阻。
同时，此信号VOUT继续传递给后续正向比较器的同相输入端，正向比较器由电阻R54、R56及运算放大器U6B组成，电阻R54和R56组成串联分压电路，两电阻的连接中点接至运算放大器U6B的反相输入端。正向比较器的电压阈值即两个分压电阻R54、R56连接中点的电压值。当差分放大电路输出电压VOUT，大于正向比较器的预设阈值时，正向比较器的输出PA6变成高电平，传输给控制电路101，进行监控以及进一步操作。正向比较器的输出端通过电阻R62接至三极管Q7的基极，三极管Q7导通，路灯所对应的MOSFET的驱动信号Q3_Drive电平拉低至GND，使MOSFET处于关断状态。将路灯切除出主电路。
充电电流检测电路102由低通滤波电路、缓冲电路组成，如图8所示，低通滤波电路的输出与缓冲电路的同相输入端相连。充电电流检测电路102采集光伏电池板串联电路输入端的充电电流，即BUCK电路的工作电流。采用的方法与负载电流检测电路相同，即在BUCK主电路内串联一个低阻值的第二检测电阻R2。当BUCK电路给蓄电池串联电路充电时，MOSFET Q4处于导通状态，电流通过第二检测电阻R2产生电压信号，送至充电电流检测电路102，电阻R58和电容C37并联后接至运算放大器U7A的第1和2管脚，组成有源低通滤波电路，再将信号输出给缓冲电路，缓冲电路将信号传递给控制电路101进行运算与处理。
如图9所示，外部温度采样电路107由高精度检测电阻R20以及NTC电阻R23串联组成，为电阻分压结构，对第二级电源电路提供的3.3V电压进行分压。
NTC电阻为负温度系数热敏电阻器，其电阻值随温度上升而呈指数减小。利用这一特性，通过外部温度采样电路测得NTC电阻两端电压，将此电压信号值传递给控制电路101后，根据电阻分压原理，控制电路101的单片机通过程序计算出NTC的电阻值，然后根据“NTC规格书”中的电阻值与温度值的对应关系计算出相应环境温度，进行监控及保护。
5个驱动电路：MOSFET开关管Q1驱动电路110、MOSFET开关管Q2驱动电路111、MOSFET开关管Q3驱动电路112、MOSFET开关管Q4驱动电路113、MOSFET开关管Q5驱动电路114分别驱动主电路的5个MOSFET开关管。
如图10所示，MOSFET开关管Q1驱动电路110、MOSFET开关管Q2驱动电路111采用IR公司的驱动芯片IR2110S，其具有两个独立的栅极驱动器，可以分别输出2路PWM信号并提供驱动MOSFET所需能量。控制电路发出PWM波PA8时，MOSFET开关管Q2驱动电路111输出MOSFET开关管Q2的驱动信号HO至驱动电阻R32，驱动电阻R32与MOSFET开关管Q2的栅极连接，当PWM波PA8为高电平时，MOSFET开关管Q2打开，当PWM波PA8为低电平时，MOSFET开关管Q2关闭。当控制电路发出PWM波PA7时，MOSFET开关管Q1驱动电路110输出MOSFET开关管Q1的驱动信号LO至驱动电阻R39，驱动电阻R39与MOSFET开关管Q1的栅极连接，当PWM波PA7为高电平时，MOSFET开关管Q1打开，当PWM波PA7为低电平时，MOSFET开关管Q1关闭。
如图11所示，蓄电池串联电路中的MOSFET开关管Q5采用母线电平自驱动，MOSFET开关管Q5驱动电路114采用两个电阻R36、R38串联分压形式。电阻R36的一端与蓄电池的正极B+连接，另一端与电阻R38连接至MOSFET开关管Q5的栅极，电阻R38的另一端与MOSFET开关管Q5的漏极连接，MOSFET开关管Q5的源极与蓄电池的负极Bat-连接。无论蓄电池处于任何状态，当蓄电池的正极母线电压达到设定阈值时，母线电压通过串联的电阻R36、R38分压后，导通MOSFET开关管Q5。在MOSFET开关管Q5的栅极与漏极之间，即R38两端并联一个稳压管DZ3，以对MOSFET进行保护。
驱动电路112负责导通和关断路灯串联电路中的MOSFET开关管，驱动电路113负责导通和关断光伏电池板串联电路中的MOSFET开关管。驱动电路112和113的电路拓扑相同，以驱动电路113为例，如图12所示。由于不需要非常快的开关速度，故采用推挽电路的形式对MOSFET开关管Q4进行驱动。驱动信号PB1为低电平时，Q18为NPN三极管，处于关断状态，测试点T1的电位，由于上拉电阻R1的作用，处于高电平状态。Q19为NPN三极管，基极，即测试点T1，为高电平，处于导通状态，Q20为PNP型三极管，基极为高电平，处于截止状态。此时Q19和Q20发射极的连接处为高电平，通过电阻R2接至MOSFET开关管Q4的栅极，MOSFET开关管Q4栅极高电平导通。MOSFET开关管Q4关断的过程则反之，驱动信号PB1为高电平，MOSFET开关管Q4栅极则为低电平关闭。MOSFET开关管Q3的导通、关断原理与上述MOSFET开关管Q4相同。
LED指示电路108由LED和限流电阻串联组成，LED的阳极接至3.3V电源，LED的阴极与限流电阻连接，限流电阻的另一端与控制电路101的控制管脚连接。如图13所示，路灯、蓄电池、光伏电池板的LED指示电路工作原理相同，以路灯的LED指示电路为例，当控制电路101的控制信号PB1为低电平时，路灯状态指示灯D1点亮，当控制电路101的控制信号PB1为高电平时，路灯状态指示灯D1熄灭。LED指示电路通过LED的点亮与熄灭显示给用户，便于查看。
如图14所示，红外信号接收发送电路109由红外发射电路和红外接收电路两部分组成。红外发射电路部分，由红外发射器D4、电阻R12、R44和PNP三极管Q4组成，红外发射器D4的阳极接3.3V电源，阴极接电阻R12，电阻R12的另一端接PNP三极管Q4的发射极，PNP三极管Q4的集电极接GND，PNP三极管Q4的基极通过电阻R44接控制电路101的输出信号PA9。当控制电路101的输出信号PA9为低电平时，PNP三极管Q4导通，驱动红外发射器D4将信号传递出去。红外接收电路部分，由红外接收器U2、电阻R3和R4、电容C2组成，红外接收器U2的管脚1对地接电容C2，并接上拉电阻R3，管脚2接地，管脚3接上拉电阻R4，同时接至控制控制电路101。红外接收器具有宽角度、长距离接收、抗干扰能力强、抵挡环境干扰光线等特点。当其收到红外信号后，内部PN结导通，将红外信号转为电压信号，输出PA10给控制电路101，进行信息处理。
如图15所示，控制电路101包括单片机U1、接口电路、存储器电路及电容、电阻等器件。接口电路中P1的第1和第4管脚接3.3V电源，第2管脚接单片机U1的第23管脚SWDIO，并接上拉电阻R8，第3管脚接单片机U1的第24管脚SWCLK，并接上拉电阻R7，存储电路中U1的第4管脚和第8管脚接3.3V电源，第8管脚对地加电容C1，第5管脚接单片机U1的第30管脚PB7，第6管脚接单片机U1的第29管脚。单片机负责将传递进来的电压、电流、保护等信号进行收集、计算、处理工作，并将必要数据存储到存储器电路中，接口电路用于单片机程序的烧写。通过红外信号接收发送电路109，完成对外进行信息的传递。
控制电路101的信号输入端分别与充电电流采样电路102，负载电流采样电路103，输入电压状态采样电路104，负载电压采样电路105，电池电压采样电路106，外部温度采样电路107的输出端相连；且控制电路101的信号输出端分别与LED指示电路108，红外信号接收发送电路109，MOSFET开关管Q1驱动电路110、MOSFET开关管Q2驱动电路111、MOSFET开关管Q3驱动电路112、MOSFET开关管Q4驱动电路113的输入端相连。
如图1b所示，实心黑色箭头为BUCK模式下，给蓄电池充电的电流流向，此MOSFET开关管时Q4导通，MOSFET开关管Q3关断；空心箭头为在BOOST模式下，给路灯供电的电流流向，此时MOSFET开关管Q3导通，MOSFET开关管Q4关断。

Claims (10)

1.一种光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的路灯控制器电路包括主电路；所述的主电路由BOOST/BUCK一体电路、路灯串联电路、光伏电池板串联电路和蓄电池串联电路组成；所述的路灯串联电路与光伏电池板串联电路并联，该并联支路的正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连；白天主电路工作在BUCK模式，光伏电池板串联电路参与工作，其正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连；夜晚主电路工作在BOOST模式，路灯串联电路参与工作，其正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输入端相连；光伏电池板串联电路白天作为主电路的电源，通过BOOST/BUCK一体电路为蓄电池充电，夜晚切除出电路，不参与工作；路灯串联电路夜晚作为主电路的负载，蓄电池作为主电路的电源，通过BOOST/BUCK一体电路为路灯串联电路供电，白天切除出电路，不参与工作；蓄电池串联电路和BOOST/BUCK一体电路并联，蓄电池串联电路的正、负极端口分别与BOOST/BUCK一体电路输出端的正、负极相连，白天由光伏电池板串联电路为蓄电池串联电路充电，夜晚蓄电池串联电路作为电源为路灯串联电路供电。
2.如权利要求1所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的路灯控制器电路还包括服务于主电路的功能模块电路：控制电路(101)、电源供电电路(115)、输入电压状态采样电路(104)、负载电压采样电路(105)、充电电流采样电路(102)、外部温度采样电路(107)、驱动电路、LED指示电路(108)和红外信号接收发送电路(109)；
电源供电电路(115)的输入端与蓄电池串联电路并联，该并联支路的正、负极与BOOST/BUCK一体电路的输出端相连；电源供电电路将蓄电池串联电路的电压降压后，为充电电流采样电路(102)、负载电流采样电路(103)、输入电压状态采样电路(104)、负载电压采样电路(105)、电池电压采样电路(106)、驱动电路、控制电路(101)、外部温度采样电路(107)、红外信号接收发送电路(109)、LED指示电路(108)供电，即电源供电电路从与其并联的蓄电池串联电路中获取电能，作为各功能模块的电源；
输入电压状态采样电路(104)的输入端连接至光伏电池板串联电路，输入电压状态采样电路(104)的输出端连接至控制电路(101)的单片机的信号输入管脚；输入电压状态采样电路(104)检测光伏电池板是否接反，以及在连接正确情况下，是否达到为蓄电池充电的电压，将检测到的信号传输给控制电路(101)的单片机进行判断；
电池电压采样电路(106)的输入端连接至蓄电池串联电路，电池电压采样电路(106)的输出端连接至控制电路(101)的单片机的信号输入管脚，采集蓄电池串联电路两端的电压，并将采集的电压信号传输给单片机进行计算；
负载电压采集电路(105)的输入端连接至路灯串联电路，负载电压采集电路(105)的输出端连接至控制电路(101)的单片机的信号输入管脚，采集路灯两端的电压，并将采集的电压信号传输给控制电路(101)的单片机进行计算；
充电电流采样电路(102)的输入端连接至光伏电池板串联电路；充电电流采样电路(102)的输出端连接至控制电路(101)的单片机的信号输入管脚，采集白天光伏电池板组件为蓄电池充电的电流，并将信号传输给控制电路(101)的单片机进行计算；
负载电流采集电路(103)的输入端连接至路灯串联电路，负载电流采集电路(103)的输出端有3个，第一输出端连接至控制电路(101)的单片机的信号输入管脚，将负载电流信号传输给单片机；第二输出端连接至控制电路(101)的单片机的过流信号输入管脚，当电流超过设定值时，对单片机输出信号进行报警；第三输出端直接连接至负载串联电路的半导体开关器件的栅极，当电流超过设定值时，关断半导体开关器件，把路灯从主电路中切出；
外部温度采样电路(107)的输出端连接至控制电路(101)单片机的温度信号对应管脚；外部温度采样电路(107)由一个NTC电阻与一个电阻串联组成，外部温度采样电路(107)输出的信号即为NTC电阻两端的电压，由此检测外部环境温度，并将信号传输给控制电路(101)的单片机；
五路驱动电路分别驱动主电路中的MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4和Q5：第一路驱动电路为MOSFET开关管Q1驱动电路(110)，该路驱动电路的输入端与控制电路(101)的单片机的驱动信号发出管脚相连，输出端连接BOOST/BUCK一体电路中的MOSFET开关管Q1的栅极，在BOOST模式下，将单片机发出的PWM信号传递给MOSFET开关管Q1，并提供开通、关断MOSFET开关管Q1所需能量，以实现BOOST电路的运行；
第二路驱动电路为MOSFET开关管Q2驱动电路(111)，该驱动电路的输入端与控制电路(101)的单片机的驱动信号发出管脚相连，驱动电路(111)的输出端连接BOOST/BUCK一体电路中的MOSFET开关管Q2的栅极，在BUCK模式下，将单片机发出的PWM信号传递给MOSFET开关管Q2，并提供开通、关断MOSFET开关管Q2所需能量，以实现BUCK电路的运行；
第三路驱动电路为MOSFET开关管Q3驱动电路(112)，驱动主电路中控制负载续流的MOSFET开关管Q3；该路驱动电路(112)的输入端与控制电路的单片机的驱动信号发出管脚相连，输出端连接到MOSFET开关管Q3的栅极，将单片机发出的高、低电平信号传递给MOSFET开关管Q3，并提供MOSFET开关管Q3开通、关断所需能量，以实现将路灯投入、切出主电路的动作；
第四路驱动电路为MOSFET开关管Q4驱动电路(113)，驱动主电路中控制光伏电池板组件续流的MOSFET开关管Q4；该路驱动电路(113)的输入端与控制电路(101)的单片机的驱动信号发出管脚相连，输出端连接到MOSFET开关管Q4的栅极，将单片机发出的高、低电平信号传递给MOSFET开关管Q4，并提供MOSFET开关管Q4开通、关断所需能量，以实现将光伏电池板组件投入、切出主电路的动作；
第五路驱动电路为MOSFET开关管Q5驱动电路(114)，电路驱动主电路中控制蓄电池续流的MOSFET开关管Q5，该路驱动电路(114)的输入端与蓄电池的正极相连，输出端连接到MOSFET开关管Q5的栅极；在主电路正极母线电压较低时，关断MOSFET开关管Q5，将蓄电池切除出主电路；
LED指示电路一共有三组，三组LED指示电路的输入端分别与控制电路中的单片机对应的三个管脚相连接，向用户显示电路的工作状态；
红外信号接收发送电路分为发送和接收两部分；接收电路的输入端与单片机对应的信号发出管脚连接，输出红外信号，为向用户的手持终端设备发送路灯控制器的数据；发送电路的输出端与单片机对应的信号接收管脚连接，输入红外信号，接收用户的手持终端设备发送过来的红外信号，对路灯控制器进行控制；
控制电路(101)的输入端与输入电压状态采样电路(104)、充电电流采样电路(102)、外部温度采样电路(107)、红外信号接收发送电路(109)的输出端相连；控制电路(101)的输出端与驱动电路、红外信号接收发送电路(109)、LED指示电路(108)的输入端相连；控制电路(101)对采集到的电压、电流、温度数据进行计算处理、存储，控制主电路的工作模式，在故障情况下及时发出保护信号，与外部的手持终端设备进行数据交换。
3.如权利要求1所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的光伏电池板串联电路由光伏电池板组件、MOSFET开关管Q4和第二检测电阻R2串联组成；光伏电池板串联电路的正极，即光伏电池板的正极，连接BOOST/BUCK一体电路输入端的正极；光伏电池板组件的负极连接MOSFET开关管Q4的源极，MOSFET开关管Q4的漏极连接到第二检测电阻R2的一端；第二检测电阻R2的另一端与BOOST/BUCK一体电路的输入端的负极相连。
4.如权利要求1所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的路灯串联电路由路灯、MOSFET开关管Q3和第一检测电阻R1串联组成；路灯串联电路的正极，即路灯的正极，连接BOOST/BUCK一体电路输入端的正极；路灯的负极连接MOSFET开关管Q3的源极；MOSFET开关管Q3的漏极连接到第一检测电阻R1的一端，第一检测电阻R1的另一端与BOOST/BUCK一体电路的输入端的负极相连。
5.如权利要求1所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的BOOST/BUCK一体电路输入端的正极为MOSFET开关管Q2的源极，MOSFET开关管Q2的漏极连接MOSFET开关管Q1的源极；BOOST/BUCK一体电路的负极为MOSFET开关管Q1的漏极；第一电容组C1的正极连接在BOOST/BUCK一体电路的正极，即MOSFET开关管Q2的源极，第一电容组C1的负极连接在BOOST/BUCK一体电路的负极，即MOSFET开关管Q1的漏极；储能电感L的一端与MOSFET开关管Q1的源极相连，储能电感L的另一端连接第二电容组C2的正极；第二电容组C2的负极连接MOSFET开关管Q1的漏极，第二电容组C2的正极作为BOOST/BUCK一体电路的输出端的正极，连接蓄电池串联电路的正极；第二电容组C2的负极作为BOOST/BUCK一体电路输出端的负极，连接蓄电池串联电路中MOSFET开关管Q5的漏极，Q5的源极接至蓄电池的负极。
6.如权利要求1所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的蓄电池串联电路的正极与防反二极管D10的阳极相连，防反二极管D10的阴极与电容C18的一端、电阻R29的一端，以及三极管Q8的集电极相连；电容C18的另一端接至GND；电阻R29的另一端与三极管Q8的基极及稳压管DZ2的阴极连接，为三极管Q8提供偏置电流，从而导通三极管Q8；稳压管DZ2的阳极接至GND，稳定住基极电压；电容C16和稳压管DZ2并联，与三极管Q8构成电子滤波电路。
7.如权利要求2所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的输入电压状态采样电路(104)由二极管、光耦U20及电阻器串联组成，采集光伏电池板串联电路输入处电压；当光伏电池板串联电路电压等级超过预设电压阈值时，光耦U20内部的三极管导通，光耦U20的第4管脚PA11由高电平变成低电平，此信号传输给控制电路101，以判断是否启动BUCK电路；光伏电池板输入端反向并联一组防反检测电路，当电池板接反且达到预设电压值时，光耦U21内部的三极管导通，光耦U21的第4管脚PA12由高电平变成低电平，此信号反馈给控制电路(101)，以判断电池板是否正负极接反。
8.如权利要求2所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的负载电流检测电路(103)由差分放大电路和正向比较器组成；差分放大电路的输出与正向比较器的同相输入端相连；夜晚，差分放大电路工作在BOOST模式，主电路中的MOSFET开关管Q3、Q5处于导通状态；正向比较器由电阻R54、R56及运算放大器U6B组成，电阻R54和R56组成串联分压电路，两电阻的连接中点接至运算放大器U6B的反相输入端；正向比较器的电压阈值即两个分压电阻R54、R56连接中点的电压值；当差分放大电路输出电压VOUT大于正向比较器的预设阈值时，正向比较器的输出PA6变成高电平，传输给控制电路101，正向比较器的输出端通过电阻R62接至三极管Q7的基极，三极管Q7导通，路灯所对应的MOSFET Q3的驱动信号Drive电平拉低至GND，使MOSFET Q3处于关断状态，将路灯切除出主电路。
9.如权利要求2所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：所述的充电电流检测电路(102)由低通滤波电路和缓冲电路组成，低通滤波电路的输出与缓冲电路的同相输入端相连；充电电流检测电路(102)采集光伏电池板串联电路输入端的充电电流，即BUCK电路的工作电流；当BUCK电路给蓄电池串联电路充电时，MOSFET Q4处于导通状态，电流通过第二检测电阻R2，产生电压信号并传递给运算放大器U7A，电阻R58和电容C37并联后接至运算放大器U7A的第1管脚和第2管脚，组成有源低通滤波电路，再将信号输出给缓冲电路，缓冲电路将信号传递给控制电路(101)进行运算与处理。
10.如权利要求2所述的光伏MPPT型恒流一体路灯控制器电路，其特征在于：MOSFET开关管Q1驱动电路(110)、MOSFET开关管Q2驱动电路(111)分别输出2路PWM信号并提供驱动MOSFET所需能量；控制电路发出PWM波PA8时，MOSFET开关管Q1驱动电路(110)输出MOSFET开关管Q2的驱动信号HO至驱动电阻R32，驱动电阻R32与MOSFET开关管Q2的栅极连接，当PWM波PA8为高电平时，MOSFET开关管Q2打开，当PWM波PA8为低电平时，MOSFET开关管Q2关闭；当控制电路发出PWM波PA7时，MOSFET开关管Q1驱动电路(110)输出MOSFET开关管Q1的驱动信号LO至驱动电阻R39，驱动电阻R39与MOSFET开关管Q1的栅极连接，当PWM波PA7为高电平时，MOSFET开关管Q1打开，当PWM波PA7为低电平时，MOSFET开关管Q1关闭；
MOSFET开关管Q5驱动电路(114)采用两个电阻R36、R38串联分压形式；电阻R36的一端与蓄电池的正极B+连接，电阻R36的另一端与电阻R38连接至MOSFET开关管Q5的栅极，电阻R38另一端与MOSFET开关管Q5的漏极连接，MOSFET开关管Q5的源极与蓄电池的负极Bat-连接；当蓄电池的正极母线电压达到设定阈值时，母线电压通过电阻R36、R38分压后，导通MOSFET开关管Q5；在MOSFET开关管Q5的栅极与漏极之间，即电阻R38两端并联一个稳压管DZ3，以对MOSFET保护。
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