大功率LED照明系統(tǒng)的瓶頸與解決方案

   以單片機(jī)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，進(jìn)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(jìn)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(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)，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，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，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，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)體制冷是因為與其他的制冷系統(tǒng)相比，沒有機(jī)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，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(qiáng)制冷溫度。利用C語言對未處理編程可實現(xiàn)，當(dāng)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(dāng)采集的實時溫度大于制冷啟動溫度但小于強(qiáng)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(dāng)采集的實時溫度大于強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)而實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片TEC制冷功率的控制，以達(dá)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(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方案。單片機(jī)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(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)定的制冷啟動功率和強(qiáng)制功率，從溫度傳感器DS18B20讀入實時采集的LED芯片工作溫度，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(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，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，則按鍵的編號即可確定。

　　圖3 鍵盤外觀

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(jī)通信的溫度測量芯片，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，DS18B20表現(xiàn)出的漏電流比較大，可能出現(xiàn)與單片機(jī)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(yán)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(jī)的啟動寫時序開始，如果要求DS18B20回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫時序后，單片機(jī)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。

　　圖4 DS18B20外接電源

　　4.4PWM控制電路

　　PWM.控制電路由光電耦合器和一個Cuk電路［3］組成。在此控制電路中，光電耦合器能夠有效抑制接地回路的噪聲，消除地干擾，提高了整個系統(tǒng)的抗干擾能力;光電耦合器把輸入端（單片機(jī)AT89C51）和輸出端（半導(dǎo)體制冷片TEC）電氣隔離，避免了主控芯片AT89C51受到意外傷害，有效保護(hù)了單片機(jī)AT89C51。另外，此控制電路中還利用光電耦合器組成了開關(guān)電路，節(jié)省了開關(guān)器件的使用。Cuk直流斬波電路的功能是將+15V的外接電源轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)電壓的直流電，即Cuk電路輸出端的電壓（半導(dǎo)體制冷片TEC的工作電壓）是可調(diào)的。輸出端OUT+和OUT-之間的可調(diào)電壓是受Q1端和Q2之間的關(guān)斷頻率控制的。在此控制電路中選用Cuk電路，因為Cuk斬波電路有一個明顯的優(yōu)點，即其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動很小，有利于保證半導(dǎo)體制冷片TEC處于良好的工作狀態(tài)。

　　限于篇幅有限，下面僅對此PWM控制電路進(jìn)行簡單的介紹：當(dāng)PWM控制信號為低電平時，晶體管T1處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合器中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q1和Q2間的電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”;當(dāng)PWM波控制信號為高電平時，晶體管T1處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電耦合器中發(fā)光二極管發(fā)光，輸出端Q1和Q2間的電阻很小，相當(dāng)于開關(guān)“導(dǎo)通”。由上面介紹可知，當(dāng)DS18B20采集的實時溫度小于制冷啟動溫度時，光電耦合器的PWM輸入端無信號輸入時，光電耦合器處于不工作狀態(tài)，圖5中的OUT+端和OUT-端無輸出電壓，即半導(dǎo)體制冷片處于閑置狀態(tài);當(dāng)DS18B20采集的實時溫度大于制冷啟動溫度時，光電耦合器的PWM輸入端有信號輸入，圖5中的OUT+端和OUT-端即有輸出電壓。通過PWM調(diào)制波控制Q1和Q2兩端的通斷，即可實現(xiàn)對半導(dǎo)體制冷片TEC工作電壓的控制，進(jìn)而控制了半導(dǎo)體制冷片TEC的散熱功率。圖5中的OUT+端和OUT-端分別接在半導(dǎo)體制冷片TEC的輸入端線上。根據(jù)CUK電路的輸出電壓和供電電源電壓的關(guān)系，可得出PWM波占空比和半導(dǎo)體制冷片TEC輸入電壓的關(guān)系：

　　其中D為PWM波的占空比，

　　為半導(dǎo)體制冷片TEC的工作電壓，E為供電電源的電壓（在此電路中E=15V）。由上式可知，控制PWM波的占空比就可以控制半導(dǎo)體制冷片TEC的工作電壓。

　　圖5 PWM控制電路

　　5結(jié)束語

　　隨著電力技術(shù)不斷的發(fā)展，大功率LED日益普及，然而大功率LED照明系統(tǒng)的散熱問題嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步發(fā)展，因此大功率LED照明系統(tǒng)的散熱問題也受到越來越多的重視。各個學(xué)科的研究人員也都投入到其中的研究當(dāng)中，諸如尋找導(dǎo)熱性能更好的材料和提高其電光轉(zhuǎn)換效率等。針對這種情況，本文選擇一些成本低廉相對高性能的元器件，對LED芯片工作溫度不同的情況，進(jìn)行不同的功率制冷，在一定程度上節(jié)約電力資源。此方案與傳統(tǒng)的散熱方案相比較，具有可控性好和制冷效果良好等優(yōu)點，對于解決大功率LED照明系統(tǒng)散熱問題具有很現(xiàn)實的意義。