《大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案（4页珍藏版）》请在装配图网上搜索。
1、大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案 2011年04月26日 来源：网络 责任编辑：wangpan 本文选自 跨越LED家居照明应用设计的最后门槛 专题，浏览该专题其他文章 请点击 中心议题： * AT89C51将半导体制冷技术引入到LED散热中解决方案：LED热量产生的原因及热量对LED性能的影响半导体制冷原理系统总体设计方案硬件电路设计及其元件选择以单片机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
2、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，
3、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：减少LED的外量子效率;缩短LED的寿命;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
4、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。图1 半导体制冷片TEC结构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
5、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
6、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43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TEC5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
7、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43键盘4，包含09共
8、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P1.0P1.3充当行选线，P1.5P1.7（外接上拉电阻到+5V电源）充当列选线。初始化时P1.0P1.3置低电位，P1.5P1.7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。图3 键盘外观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。DS1
9、8B20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。图4 DS18B20外接电源4.4P
10、WM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
11、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
12、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
13、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。图5 PWM控制电路5结束语随着电力技术不断的发展，大功率LED日益普及，然而大功率LED照明系统的散热问题严重制约了其进一步发展，因此大功率LED照明系统的散热问题也受到越来越多的重视。各个学科的研究人员也都投入到其中的研究当中，诸如寻找导热性能更好的材料和提高其电光转换效率等。针对这种情况，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。
大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案
