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大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案
2011年04月26日 来源：网络 [责任编辑：wangpan]
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中心议题：
    * AT89C51将半导体制冷技术引入到LED散热中

解决方案：
LED热量产生的原因及热量对LED性能的影响
半导体制冷原理
系统总体设计方案
硬件电路设计及其元件选择

以单片机AT89C51为控制核心，将半导体制冷技术引入到LED散热研究中，采用PID算法和PWM调制技术实现对半导体制冷片的输入电压的控制，进而实现了对半导体制冷功率的控制，通过实验验证了该方法的可行性。
　　随着LED技术日新月异的发展，LED已经走进普通照明的市场。然而，LED照明系统的发展在很大程度上受到散热问题的影响。对于大功率LED而言，散热问题已经成为制约其发展的一个瓶颈问题。而半导体制冷技术具有体积小、无须添加制冷剂、结构简单、无噪声和稳定可靠等优点，随着半导体材料技术的进步，以及高热电转换材料的发现，利用半导体制冷技术来解决LED照明系统的散热问题，将具有很现实的意义。
　　1 LED热量产生的原因及热量对LED性能的影响
　　LED 在正向电压下，电子从电源获得能量，在电场的驱动下，克服PN 结的电场，由N 区跃迁到P 区，这些电子与P 区的空穴发生复合。由于漂移到P 区的自由电子具有高于P 区价电子的能量，复合时电子回到低能量态，多余的能量以光子的形式放出。然而，释放出的光子只有30%～40%转化为光能，其余的60%～70%则以点振动的形式转化为热能。
　　由于LED是半导体发光器件，而半导体器件随温度的变化自身发生变化，从而其固有的特性会发生明显的变化。对于LED结温的升高会导致器件性能的变化和衰减。这种变化主要体现在以下三个方面：⑴减少LED的外量子效率;⑵缩短LED的寿命;⑶造成LED发出光的主波长发生偏移，从而导致光源的颜色发生偏移。大功率LED一般都用超过1W的电功率输入，其产生的热量很大，解决其散热问题是当务之急。
　　2半导体制冷原理
　　半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。半导体制冷器的基本器件是热电偶对，即把一只N型半导体和一只P型半导体连接成热电偶（如图1），通上直流电后，在接口处就会产生温差和热量的转移。在电路上串联起若干对半导体热电偶对，而传热方面是并联的，这样就构成了一个常见的制冷热电堆。借助于热交换器等各种传热手段，是热电堆的热端不断散热并且保持一定的温度，而把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是半导体制冷的原理。

　　图1 半导体制冷片TEC结构
　　本文采用半导体制冷是因为与其他的制冷系统相比，没有机械转动部分、无需制冷剂、无污染可靠性高、寿命长而且易于控制，体积和功率都可以做的很小，非常适合在LED有限的工作空间里应用。
　　3系统总体设计方案
　　LED散热控制系统由温度设定模块、复位模块、显示模块、温度采集模块、控制电路模块［2］及制冷模块组成，系统总体框图如图1所示。该系统以微处理器为控制核心，与温度采集模块通信采集被控对象的实时温度，与温度设定模块通信设定制冷启动温度和强制冷温度。利用C语言对未处理编程可实现，当采集的实时温度小于制冷启动温度时，无PWM调制波［1，6］输出，制冷模块处于闲置状态;当采集的实时温度大于制冷启动温度但小于强制冷温度时，输出一定占空比的PWM调制波，制冷模块启动小功率的制冷方式;当采集的实时温度大于强制冷温度时，输出一定占空比的PWM调制波，制冷模块启动大功率的制冷方式。
　　4硬件电路设计及其元件选择
　　该系统主要由温度设定、温度采集、PWM控制电路及辅助电路（复位电路和显示电路）组成。本方案采用低价位、高性能的AT89C51作为主控芯片，实现整个系统的逻辑控制功能;采用单线通信的高精度温度传感器DS18B20，实现对被控对象LED芯片实时温度的采集;同时设计了4×3输入键盘，制冷启动温度和强制冷温度由键盘输入;设计了PWM控制电路，实现对半导体制冷片TEC［5］的工作电压的控制，进而实现对半导体制冷片TEC制冷功率的控制，以达到对LED芯片及时散热的效果。
　　4.1主控芯片AT89C51
　　该系统的主控芯片选用的是单片机AT89C51。单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的处理器，为嵌入式控制系统提供了一种灵活性高的廉价方案。单片机AT89C51内含4KB的Flash储存器，可反复擦写1000次、128字节的RAM、四个并行8位双向I/O和2个16位可编程定时器。此外，主控芯片AT89C51采用频率为12MHz的晶振，这样系统运行一个机器周期，有利于程序的编写。单片机AT89C51主要功能：从键盘电路读入设定的制冷启动功率和强制功率，从温度传感器DS18B20读入实时采集的LED芯片工作温度，通过C语言编程将二者比较对光电耦合器输出PWM调制波及将DS18B20实时采集的温度输出到LCD显示。
　　4.2键盘电路
　　该系统采用4×3键盘［4］，包含0～9共10个数字键、一个“确定”键和一个“清除”键。操作流程为：输入2位设定温度，按下“确定”，将设定温度输入到AT89C51内用户自定义区某存储单元，作为半导体制冷片的启动温度。然后，同理再次输入2位温度，作为半导体制冷片的强制冷温度。键盘工作原理：I/O口P1.0～P1.3充当行选线，P1.5～P1.7（外接上拉电阻到+5V电源）充当列选线。初始化时P1.0～P13置低电位，P1.5～P1.7置高电位并等待按键。当有键按下时，相应的列选线电平被强制拉低，读相应的行码和列码，则按键的编号即可确定。

　　图3 键盘外观
4.3温度采集电路
　　该系统采用美国DALLAS公司的生产的数字温度传感器DS18B20。DS18B20是一款仅使用一根信号线（1-Wire）与单片机通信的温度测量芯片，可以测量（满足该系统的测温要求）之间的温度，利用程序编程可实现9为数字温度输出，测量精度为由于温度高于 时，DS18B20表现出的漏电流比较大，可能出现与单片机AT89C51的通信崩溃，故采用外部电源模式供电。DS18B20最大的特点就是单总线传输方式，因此对读写数据位具有严格的时序要求。时序包括：初始化时序、读时序、写时序。每一次命令和数据的传输都是从单片机的启动写时序开始，如果要求DS18B20回送数据，在进行写时序后，单片机需启动读时序完成数据接收，数据和命令的传输都是地位在先。

　　图4 DS18B20外接电源
　　4.4PWM控制电路
　　PWM.控制电路由光电耦合器和一个Cuk电路［3］组成。在此控制电路中，光电耦合器能够有效抑制接地回路的噪声，消除地干扰，提高了整个系统的抗干扰能力;光电耦合器把输入端（单片机AT89C51）和输出端（半导体制冷片TEC）电气隔离，避免了主控芯片AT89C51受到意外伤害，有效保护了单片机AT89C51。另外，此控制电路中还利用光电耦合器组成了开关电路，节省了开关器件的使用。Cuk直流斩波电路的功能是将+15V的外接电源转变为可调电压的直流电，即Cuk电路输出端的电压（半导体制冷片TEC的工作电压）是可调的。输出端OUT+和OUT-之间的可调电压是受Q1端和Q2之间的关断频率控制的。在此控制电路中选用Cuk电路，因为Cuk斩波电路有一个明显的优点，即其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于保证半导体制冷片TEC处于良好的工作状态。
　　限于篇幅有限，下面仅对此PWM控制电路进行简单的介绍：当PWM控制信号为低电平时，晶体管T1处于截止状态，光电耦合器中发光二极管的电流近似为零，输出端Q1和Q2间的电阻很大，相当于开关“断开”;当PWM波控制信号为高电平时，晶体管T1处于导通状态，光电耦合器中发光二极管发光，输出端Q1和Q2间的电阻很小，相当于开关“导通”。由上面介绍可知，当DS18B20采集的实时温度小于制冷启动温度时，光电耦合器的PWM输入端无信号输入时，光电耦合器处于不工作状态，图5中的OUT+端和OUT-端无输出电压，即半导体制冷片处于闲置状态;当DS18B20采集的实时温度大于制冷启动温度时，光电耦合器的PWM输入端有信号输入，图5中的OUT+端和OUT-端即有输出电压。通过PWM调制波控制Q1和Q2两端的通断，即可实现对半导体制冷片TEC工作电压的控制，进而控制了半导体制冷片TEC的散热功率。图5中的OUT+端和OUT-端分别接在半导体制冷片TEC的输入端线上。根据CUK电路的输出电压和供电电源电压的关系，可得出PWM波占空比和半导体制冷片TEC输入电压的关系：
　　其中D为PWM波的占空比，
　　为半导体制冷片TEC的工作电压，E为供电电源的电压（在此电路中E=15V）。由上式可知，控制PWM波的占空比就可以控制半导体制冷片TEC的工作电压。

　　图5 PWM控制电路
　　5结束语
　　随着电力技术不断的发展，大功率LED日益普及，然而大功率LED照明系统的散热问题严重制约了其进一步发展，因此大功率LED照明系统的散热问题也受到越来越多的重视。各个学科的研究人员也都投入到其中的研究当中，诸如寻找导热性能更好的材料和提高其电光转换效率等。针对这种情况，本文选择一些成本低廉相对高性能的元器件，对LED芯片工作温度不同的情况，进行不同的功率制冷，在一定程度上节约电力资源。此方案与传统的散热方案相比较，具有可控性好和制冷效果良好等优点，对于解决大功率LED照明系统散热问题具有很现实的意义。