大功率LED照明系統(tǒng)散熱問題的解決方案

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-05-24

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 以單片機AT89C51為控制核心，將半導(dǎo)體制冷技術(shù)引入到LED散熱研究中，采用PID算法和PWM調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片的輸入電壓的控制，LED射燈，進而實現(xiàn)了對半導(dǎo)體制冷功率的控制，通過實驗驗證了該方法的可行性。

　　隨著LED技術(shù)日新月異的發(fā)展，LED已經(jīng)走進普通照明的市場。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，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的進步，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，在電場的驅(qū)動下，克服PN 結(jié)的電場，由N 區(qū)躍遷到P 區(qū)，綠色照明，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)價電子的能量，復(fù)合時電子回到低能量態(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%則以點振動的形式轉(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發(fā)生明顯的變化。對于LED結(jié)溫的升高會導(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，照明產(chǎn)品， LED置換工程，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，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，在接口處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在電路上串聯(lián)起若干對半導(dǎo)體熱電偶對，而傳熱方面是并聯(lián)的，這樣就構(gòu)成了一個常見的制冷熱電堆。借助于熱交換器等各種傳熱手段，口碑，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。

　　　　本文采用半導(dǎo)體制冷是因為與其他的制冷系統(tǒng)相比，沒有機械轉(zhuǎn)動部分、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，LED照明企業(yè)，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象的實時溫度，與溫度設(shè)定模塊通信設(shè)定制冷啟動溫度和強制冷溫度。利用C語言對未處理編程可實現(xiàn)，當采集的實時溫度小于制冷啟動溫度時，無PWM調(diào)制波[1,6]輸出，制冷模塊處于閑置狀態(tài)；當采集的實時溫度大于制冷啟動溫度但小于強制冷溫度時，輸出一定占空比的PWM調(diào)制波，制冷模塊啟動小功率的制冷方式；當采集的實時溫度大于強制冷溫度時，輸出一定占空比的PWM調(diào)制波，制冷模塊啟動大功率的制冷方式。

4硬件電路設(shè)計及其元件選擇

　　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。本方案采用低價位、高性能的AT89C51作為主控芯片，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制功能；采用單線通信的高精度溫度傳感器DS18B20,實現(xiàn)對被控對象LED芯片實時溫度的采集；同時設(shè)計了4×3輸入鍵盤，制冷啟動溫度和強制冷溫度由鍵盤輸入；設(shè)計了PWM控制電路，實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片TEC[5]的工作電壓的控制，進而實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片TEC制冷功率的控制，以達到對LED芯片及時散熱的效果。

　　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(tǒng)提供了一種靈活性高的廉價方案。單片機AT89C51內(nèi)含4KB的Flash儲存器，可反復(fù)擦寫1000次、128字節(jié)的RAM、四個并行8位雙向I/O和2個16位可編程定時器。此外，主控芯片AT89C51采用頻率為12MHz的晶振，這樣系統(tǒng)運行一個機器周期，有利于程序的編寫。單片機AT89C51主要功能：從鍵盤電路讀入設(shè)定的制冷啟動功率和強制功率，商業(yè)照明燈具，從溫度傳感器DS18B20讀入實時采集的LED芯片工作溫度， led商業(yè)照明，通過C語言編程將二者比較對光電耦合器輸出PWM調(diào)制波及將DS18B20實時采集的溫度輸出到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個數(shù)字鍵、一個“確定”鍵和一個“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)某存儲單元，作為半導(dǎo)體制冷片的啟動溫度。然后，同理再次輸入2位溫度，作為半導(dǎo)體制冷片的強制冷溫度。鍵盤工作原理：I/O口P1.0~P1.3充當行選線，P1.5~P1.7（外接上拉電阻到+5V電源）充當列選線。初始化時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，相應(yīng)的列選線電平被強制拉低，讀相應(yīng)的行碼和列碼，則按鍵的編號即可確定。

　　4.3溫度采集電路

　　該系統(tǒng)采用美國DALLAS公司的生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20.DS18B20是一款僅使用一根信號線（1-Wire）與單片機通信的溫度測量芯片，LED照明工程，可以測量（滿足該系統(tǒng)的測溫要求）之間的溫度，利用程序編程可實現(xiàn)9為數(shù)字溫度輸出，測量精度為由于溫度高于 時，家用照明，DS18B20表現(xiàn)出的漏電流比較大，可能出現(xiàn)與單片機AT89C51的通信崩潰，故采用外部電源模式供電。DS18B20最大的特點就是單總線傳輸方式，因此對讀寫數(shù)據(jù)位具有嚴格的時序要求。時序包括：初始化時序、讀時序、寫時序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從單片機的啟動寫時序開始，如果要求DS18B20回送數(shù)據(jù)，在進行寫時序后，單片機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是地位在先。

　　　　4.4PWM控制電路