关于大功率LED照明系统散热问题的解决方案

2015-02-27编辑:探路者 关键字:大功率  LED照明
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。

  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~P1.3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。

  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。

  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。

  5结束语

  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。

关键字:大功率  LED照明

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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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