大功率LED照明系統的瓶頸與解決方案研究

　　隨著(zhù)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照明系統的發(fā)展在很大程度上受到散熱問(wèn)題的影響。對于大功率LED而言，散熱問(wèn)題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。而半導體制冷技術(shù)具有體積小、無(wú)須添加制冷劑、結構簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲和穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)，隨著(zhù)半導體材料技術(shù)的進(jìn)步，以及高熱電轉換材料的發(fā)現，利用半導體制冷技術(shù)來(lái)解決LED照明系統的散熱問(wèn)題，將具有很現實(shí)的意義。

　　1 LED熱量產(chǎn)生的原因及熱量對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)的驅動(dòng)下，克服PN 結的電場(chǎng)，由N 區躍遷到P 區，這些電子與P 區的空穴發(fā)生復合。由于漂移到P 區的自由電子具有高于P 區價(jià)電子的能量，復合時(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%轉化為光能，其余的60%～70%則以點(diǎn)振動(dòng)的形式轉化為熱能。

　　由于LED是半導體發(fā)光器件，而半導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。對于LED結溫的升高會(huì )導致器件性能的變化和衰減。這種變化主要體現在以下三個(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(cháng)發(fā)生偏移，從而導致光源的顏色發(fā)生偏移。大功率LED一般都用超過(guò)1W的電功率輸入，其產(chǎn)生的熱量很大，解決其散熱問(wèn)題是當務(wù)之急。

　　2半導體制冷原理

　　半導體制冷又稱(chēng)電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)介于制冷技術(shù)和半導體技術(shù)邊緣的學(xué)科，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱(chēng)為世界三大制冷方式。半導體制冷器的基本器件是熱電偶對，即把一只N型半導體和一只P型半導體連接成熱電偶(如圖1)，通上直流電后，在接口處就會(huì )產(chǎn)生溫差和熱量的轉移。在電路上串聯(lián)起若干對半導體熱電偶對，而傳熱方面是并聯(lián)的，這樣就構成了一個(gè)常見(jiàn)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，這就是半導體制冷的原理。

　　圖1 半導體制冷片TEC結構

　　本文采用半導體制冷是因為與其他的制冷系統相比，沒(méi)有機械轉動(dòng)部分、無(wú)需制冷劑、無(wú)污染可靠性高、壽命長(cháng)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用。

　　3系統總體設計方案

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

　　圖2 LED散熱控制系統原理圖

　　4硬件電路設計及其元件選擇

　　該系統主要由溫度設定、溫度采集、PWM控制電路及輔助電路(復位電路和顯示電路)組成。本方案采用低價(jià)位、高性能的AT89C51作為主控芯片，實(shí)現整個(gè)系統的邏輯控制功能;采用單線(xiàn)通信的高精度溫度傳感器DS18B20，實(shí)現對被控對象LED芯片實(shí)時(shí)溫度的采集;同時(shí)設計了4×3輸入鍵盤(pán)，制冷啟動(dòng)溫度和強制冷溫度由鍵盤(pán)輸入;設計了PWM控制電路，實(shí)現對半導體制冷片TEC[5]的工作電壓的控制，進(jìn)而實(shí)現對半導體制冷片TEC制冷功率的控制，以達到對LED芯片及時(shí)散熱的效果。

　　4.1主控芯片AT89C51

　　該系統的主控芯片選用的是單片機AT89C51。單片機AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的處理器，為嵌入式控制系統提供了一種靈活性高的廉價(jià)方案。單片機AT89C51內含4KB的Flash儲存器，可反復擦寫(xiě)1000次、128字節的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，這樣系統運行一個(gè)機器周期，有利于程序的編寫(xiě)。單片機AT89C51主要功能：從鍵盤(pán)電路讀入設定的制冷啟動(dòng)功率和強制功率，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(guò)C語(yǔ)言編程將二者比較對光電耦合器輸出PWM調制波及將DS18B20實(shí)時(shí)采集的溫度輸出到LCD顯示。

　　4.2鍵盤(pán)電路

　　該系統采用4×3鍵盤(pán)[4]，包含0～9共10個(gè)數字鍵、一個(gè)“確定”鍵和一個(gè)“清除”鍵。操作流程為：輸入2位設定溫度，按下“確定”，將設定溫度輸入到AT89C51內用戶(hù)自定義區某存儲單元，作為半導體制冷片的啟動(dòng)溫度。然后，同理再次輸入2位溫度，作為半導體制冷片的強制冷溫度。鍵盤(pán)工作原理：I/O口P1.0～P1.3充當行選線(xiàn)，P1.5～P1.7(外接上拉電阻到+5V電源)充當列選線(xiàn)。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。當有鍵按下時(shí)，相應的列選線(xiàn)電平被強制拉低，讀相應的行碼和列碼，則按鍵的編號即可確定。

　　圖3 鍵盤(pán)外觀(guān)