大功率LED照明系統(tǒng)的瓶頸與解決方案研究

　　隨著LED技術(shù)日新月異的發(fā)展，LED已經(jīng)走進(jìn)普通照明的市場(chǎng)。然而，LED照明系統(tǒng)的發(fā)展在很大程度上受到散熱問題的影響。對(duì)于大功率LED而言，散熱問題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的一個(gè)瓶頸問題。而半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有體積小、無須添加制冷劑、結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲和穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的進(jìn)步，以及高熱電轉(zhuǎn)換材料的發(fā)現(xiàn)，利用半導(dǎo)體制冷技術(shù)來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，將具有很現(xiàn)實(shí)的意義。

　　1 LED熱量產(chǎn)生的原因及熱量對(duì)LED性能的影響

　　LED 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，克服PN 結(jié)的電場(chǎng)，由N 區(qū)躍遷到P 區(qū)，這些電子與P 區(qū)的空穴發(fā)生復(fù)合。由于漂移到P 區(qū)的自由電子具有高于P 區(qū)價(jià)電子的能量，復(fù)合時(shí)電子回到低能量態(tài)，多余的能量以光子的形式放出。然而，釋放出的光子只有30%～40%轉(zhuǎn)化為光能，其余的60%～70%則以點(diǎn)振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化為熱能。

　　由于LED是半導(dǎo)體發(fā)光器件，而半導(dǎo)體器件隨溫度的變化自身發(fā)生變化，從而其固有的特性會(huì)發(fā)生明顯的變化。對(duì)于LED結(jié)溫的升高會(huì)導(dǎo)致器件性能的變化和衰減。這種變化主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：⑴減少LED的外量子效率;⑵縮短LED的壽命;⑶造成LED發(fā)出光的主波長發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移。大功率LED一般都用超過1W的電功率輸入，其產(chǎn)生的熱量很大，解決其散熱問題是當(dāng)務(wù)之急。

　　2半導(dǎo)體制冷原理

　　半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。半導(dǎo)體制冷器的基本器件是熱電偶對(duì)，即把一只N型半導(dǎo)體和一只P型半導(dǎo)體連接成熱電偶(如圖1)，通上直流電后，在接口處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在電路上串聯(lián)起若干對(duì)半導(dǎo)體熱電偶對(duì)，而傳熱方面是并聯(lián)的，這樣就構(gòu)成了一個(gè)常見的制冷熱電堆。借助于熱交換器等各種傳熱手段，是熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，而把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去吸熱降溫，這就是半導(dǎo)體制冷的原理。

　　圖1 半導(dǎo)體制冷片TEC結(jié)構(gòu)

　　本文采用半導(dǎo)體制冷是因?yàn)榕c其他的制冷系統(tǒng)相比，沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分、無需制冷劑、無污染可靠性高、壽命長而且易于控制，體積和功率都可以做的很小，非常適合在LED有限的工作空間里應(yīng)用。

　　3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　LED散熱控制系統(tǒng)由溫度設(shè)定模塊、復(fù)位模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、控制電路模塊[2]及制冷模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)以微處理器為控制核心，與溫度采集模塊通信采集被控對(duì)象的實(shí)時(shí)溫度，與溫度設(shè)定模塊通信設(shè)定制冷啟動(dòng)溫度和強(qiáng)制冷溫度。利用C語言對(duì)未處理編程可實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度小于制冷啟動(dòng)溫度時(shí)，無PWM調(diào)制波[1,6]輸出，制冷模塊處于閑置狀態(tài);當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度大于制冷啟動(dòng)溫度但小于強(qiáng)制冷溫度時(shí)，輸出一定占空比的PWM調(diào)制波，制冷模塊啟動(dòng)小功率的制冷方式;當(dāng)采集的實(shí)時(shí)溫度大于強(qiáng)制冷溫度時(shí)，輸出一定占空比的PWM調(diào)制波，制冷模塊啟動(dòng)大功率的制冷方式。

　　圖2 LED散熱控制系統(tǒng)原理圖

　　4硬件電路設(shè)計(jì)及其元件選擇

　　該系統(tǒng)主要由溫度設(shè)定、溫度采集、PWM控制電路及輔助電路(復(fù)位電路和顯示電路)組成。本方案采用低價(jià)位、高性能的AT89C51作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制功能;采用單線通信的高精度溫度傳感器DS18B20，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象LED芯片實(shí)時(shí)溫度的采集;同時(shí)設(shè)計(jì)了4×3輸入鍵盤，制冷啟動(dòng)溫度和強(qiáng)制冷溫度由鍵盤輸入;設(shè)計(jì)了PWM控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷片TEC[5]的工作電壓的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體制冷片TEC制冷功率的控制，以達(dá)到對(duì)LED芯片及時(shí)散熱的效果。

　　4.1主控芯片AT89C51

　　該系統(tǒng)的主控芯片選用的是單片機(jī)AT89C51。單片機(jī)AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的處理器，為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高的廉價(jià)方案。單片機(jī)AT89C51內(nèi)含4KB的Flash儲(chǔ)存器，可反復(fù)擦寫1000次、128字節(jié)的RAM、四個(gè)并行8位雙向I/O和2個(gè)16位可編程定時(shí)器。此外，主控芯片AT89C51采用頻率為12MHz的晶振，這樣系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)機(jī)器周期，有利于程序的編寫。單片機(jī)AT89C51主要功能：從鍵盤電路讀入設(shè)定的制冷啟動(dòng)功率和強(qiáng)制功率，從溫度傳感器DS18B20讀入實(shí)時(shí)采集的LED芯片工作溫度，通過C語言編程將二者比較對(duì)光電耦合器輸出PWM調(diào)制波及將DS18B20實(shí)時(shí)采集的溫度輸出到LCD顯示。

　　4.2鍵盤電路

　　該系統(tǒng)采用4×3鍵盤[4]，包含0～9共10個(gè)數(shù)字鍵、一個(gè)“確定”鍵和一個(gè)“清除”鍵。操作流程為：輸入2位設(shè)定溫度，按下“確定”，將設(shè)定溫度輸入到AT89C51內(nèi)用戶自定義區(qū)某存儲(chǔ)單元，作為半導(dǎo)體制冷片的啟動(dòng)溫度。然后，同理再次輸入2位溫度，作為半導(dǎo)體制冷片的強(qiáng)制冷溫度。鍵盤工作原理：I/O口P1.0～P1.3充當(dāng)行選線，P1.5～P1.7(外接上拉電阻到+5V電源)充當(dāng)列選線。初始化時(shí)P1.0～P1.3置低電位，P1.5～P1.7置高電位并等待按鍵。當(dāng)有鍵按下時(shí)，相應(yīng)的列選線電平被強(qiáng)制拉低，讀相應(yīng)的行碼和列碼，則按鍵的編號(hào)即可確定。

　　圖3 鍵盤外觀