【導讀】散熱問題一直是LED照明行業的軟肋
，尤其對於大功率LED而言，散熱問題已經成為製約其發展的一個瓶頸問題。該如何解決呢，看看本文解析。

 

　　以單片機AT89C51為控製核心，將半導體製冷技術引入到LED散熱研究中，采用PID算法和PWM調製技術實現對半導體製冷片的輸入電壓的控製
，進而實現了對半導體製冷功率的控製，通過實驗驗證了該方法的可行性。

 

　　隨著LED技術日新月異的發展，LED已經走進普通照明的市場。然而，LED照明係統的發展在很大程度上受到散熱問題的影響。對於大功率LED而言
，散熱問題已經成為製約其發展的一個瓶頸問題。而半導體製冷技術具有體積小
、無須添加製冷劑、結構簡單、無噪聲和穩定可靠等優點
，隨著半導體材料技術的進步，以及高熱電轉換材料的發現，利用半導體製冷技術來解決LED照明係統的散熱問題
，將具有很現實的意義。

 

　　1 LED熱量產生的原因及熱量對LED性能的影響

 

　　LED 在正向電壓下
，電子從電源獲得能量
，在電場的驅動下
，克服PN 結的電場
，由N 區躍遷到P 區
，這些電子與P 區的空穴發生複合。由於漂移到P 區的自由電子具有高於P 區價電子的能量，複合時電子回到低能量態，多餘的能量以光子的形式放出。然而，釋放出的光子隻有30%~40%轉化為光能，其餘的60%~70%則以點振動的形式轉化為熱能。

 

　　由於LED是半導體發光器件，而半導體器件隨溫度的變化自身發生變化，從而其固有的特性會發生明顯的變化。對於LED結溫的升高會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方麵：減少LED的外量子效率;縮短LED的壽命;造成LED發出光的主波長發生偏移，從而導致光源的顏色發生偏移。大功率LED一般都用超過1W的電功率輸入
，其產生的熱量很大，解決其散熱問題是當務之急。

 

　　2半導體製冷原理

 

　　半導體製冷又稱電子製冷，或者溫差電製冷，是從50年(nian)代(dai)發(fa)展(zhan)起(qi)來(lai)的(de)一(yi)門(men)介(jie)於(yu)製(zhi)冷(leng)技(ji)術(shu)和(he)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)邊(bian)緣(yuan)的(de)學(xue)科(ke)，與(yu)壓(ya)縮(suo)式(shi)製(zhi)冷(leng)和(he)吸(xi)收(shou)式(shi)製(zhi)冷(leng)並(bing)稱(cheng)為(wei)世(shi)界(jie)三(san)大(da)製(zhi)冷(leng)方(fang)式(shi)。半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)冷(leng)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)器(qi)件(jian)是(shi)熱(re)電(dian)偶(ou)對(dui)，即(ji)把(ba)一(yi)隻(zhi)N型半導體和一隻P型半導體連接成熱電偶(如圖1)，通(tong)上(shang)直(zhi)流(liu)電(dian)後(hou)
，在(zai)接(jie)口(kou)處(chu)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)溫(wen)差(cha)和(he)熱(re)量(liang)的(de)轉(zhuan)移(yi)。在(zai)電(dian)路(lu)上(shang)串(chuan)聯(lian)起(qi)若(ruo)幹(gan)對(dui)半(ban)導(dao)體(ti)熱(re)電(dian)偶(ou)對(dui)
，而(er)傳(chuan)熱(re)方(fang)麵(mian)是(shi)並(bing)聯(lian)的(de)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)構(gou)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)常(chang)見(jian)的(de)製(zhi)冷(leng)熱(re)電(dian)堆(dui)。借(jie)助(zhu)於(yu)熱(re)交(jiao)換(huan)器(qi)等(deng)各(ge)種(zhong)傳(chuan)熱(re)手(shou)段(duan)，是(shi)熱(re)電(dian)堆(dui)的(de)熱(re)端(duan)不(bu)斷(duan)散(san)熱(re)並(bing)且(qie)保(bao)持(chi)一(yi)定(ding)的(de)溫(wen)度(du)，而(er)把(ba)熱(re)電(dian)堆(dui)的(de)冷(leng)端(duan)放(fang)到(dao)工(gong)作(zuo)環(huan)境(jing)中(zhong)去(qu)吸(xi)熱(re)降(jiang)溫(wen)
，這(zhe)就(jiu)是(shi)半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)冷(leng)的(de)原(yuan)理(li)。

 

　　本文采用半導體製冷是因為與其他的製冷係統相比，沒有機械轉動部分
、無需製冷劑、無汙染可靠性高
、壽命長而且易於控製，體積和功率都可以做的很小，非常適合在LED有限的工作空間裏應用。
[page]

 

　　3係統總體設計方案

 

　　LED散熱控製係統由溫度設定模塊、複位模塊、顯示模塊

、溫度采集模塊
、控製電路模塊[2]及製冷模塊組成，係統總體框圖如圖1所(suo)示(shi)。該(gai)係(xi)統(tong)以(yi)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)為(wei)控(kong)製(zhi)核(he)心(xin)，與(yu)溫(wen)度(du)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)通(tong)信(xin)采(cai)集(ji)被(bei)控(kong)對(dui)象(xiang)的(de)實(shi)時(shi)溫(wen)度(du)，與(yu)溫(wen)度(du)設(she)定(ding)模(mo)塊(kuai)通(tong)信(xin)設(she)定(ding)製(zhi)冷(leng)啟(qi)動(dong)溫(wen)度(du)和(he)強(qiang)製(zhi)冷(leng)溫(wen)度(du)。利(li)用(yong)C語言對未處理編程可實現，當采集的實時溫度小於製冷啟動溫度時，無PWM調製波[1
，6]輸出，製冷模塊處於閑置狀態;當采集的實時溫度大於製冷啟動溫度但小於強製冷溫度時
，輸出一定占空比的PWM調製波
，製冷模塊啟動小功率的製冷方式;當采集的實時溫度大於強製冷溫度時，輸出一定占空比的PWM調製波

，製冷模塊啟動大功率的製冷方式。

 

　　4硬件電路設計及其元件選擇

 

　　該係統主要由溫度設定、溫度采集


、PWM控製電路及輔助電路(複位電路和顯示電路)組成。本方案采用低價位、高性能的AT89C51作為主控芯片，實現整個係統的邏輯控製功能;采用單線通信的高精度溫度傳感器DS18B20，實現對被控對象LED芯片實時溫度的采集;同時設計了4×3輸入鍵盤
，製冷啟動溫度和強製冷溫度由鍵盤輸入;設計了PWM控製電路
，實現對半導體製冷片TEC[5]的工作電壓的控製，進而實現對半導體製冷片TEC製冷功率的控製，以達到對LED芯片及時散熱的效果。

 

　　4.1主控芯片AT89C51

 

　　該係統的主控芯片選用的是單片機AT89C51.單片機AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓
、高性能的處理器，為嵌入式控製係統提供了一種靈活性高的廉價方案。單片機AT89C51內含4KB的Flash儲存器，可反複擦寫1000次、128字節的RAM、四個並行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，這樣係統運行一個機器周期，有利於程序的編寫。單片機AT89C51主要功能：從鍵盤電路讀入設定的製冷啟動功率和強製功率，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調製波及將DS18B20實時采集的溫度輸出到LCD顯示。

 

　　4.2鍵盤電路

 

　　該係統采用4×3鍵盤，包含0~9共10個數字鍵
、一個“確定”鍵和一個“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內用戶自定義區某存儲單元，作為半導體製冷片的啟動溫度。然後
，同理再次輸入2位溫度，作為半導體製冷片的強製冷溫度。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置高電位並等待按鍵。當有鍵按下時，相應的列選線電平被強製拉低，讀相應的行碼和列碼

，則按鍵的編號即可確定。

 

 

　　該係統采用美國DALLAS公司的生產的數字溫度傳感器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
，可以測量(滿足該係統的測溫要求)之間的溫度，利用程序編程可實現9為數字溫度輸出，測量精度為由於溫度高於 時，DS18B20表現出的漏電流比較大
，可能出現與單片機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，因此對讀寫數據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。每一次命令和數據的傳輸都是從單片機的啟動寫時序開始
，如果要求DS18B20回送數據

，在進行寫時序後，單片機需啟動讀時序完成數據接收，數據和命令的傳輸都是地位在先。
[page]

 

 

　　PWM.控製電路由光電耦合器和一個Cuk電路[3]組成。在此控製電路中，光電耦合器能夠有效抑製接地回路的噪聲，消除地幹擾，提高了整個係統的抗幹擾能力;光電耦合器把輸入端(單片機AT89C51)和輸出端(半導體製冷片TEC)電氣隔離，避免了主控芯片AT89C51受到意外傷害，有效保護了單片機AT89C51.另外

，此控製電路中還利用光電耦合器組成了開關電路，節省了開關器件的使用。Cuk直流斬波電路的功能是將+15V的外接電源轉變為可調電壓的直流電，即Cuk電路輸出端的電壓(半導體製冷片TEC的工作電壓)是可調的。輸出端OUT+和OUT-之間的可調電壓是受Q1端和Q2之間的關斷頻率控製的。在此控製電路中選用Cuk電路，因為Cuk斬波電路有一個明顯的優點，即其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的
，且脈動很小，有利於保證半導體製冷片TEC處於良好的工作狀態。

 

　　限於篇幅有限，下麵僅對此PWM控製電路進行簡單的介紹：當PWM控製信號為低電平時，晶體管T1處於截止狀態，光電耦合器中發光二極管的電流近似為零
，輸出端Q1和Q2間的電阻很大
，相當於開關“斷開”;當PWM波控製信號為高電平時，晶體管T1處於導通狀態，光電耦合器中發光二極管發光，輸出端Q1和Q2間的電阻很小，相當於開關“導通”.由上麵介紹可知
，當DS18B20采集的實時溫度小於製冷啟動溫度時，光電耦合器的PWM輸入端無信號輸入時
，光電耦合器處於不工作狀態，圖5中的OUT+端和OUT-端無輸出電壓
，即半導體製冷片處於閑置狀態;當DS18B20采集的實時溫度大於製冷啟動溫度時，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調製波控製Q1和Q2兩端的通斷
，即可實現對半導體製冷片TEC工作電壓的控製
，進而控製了半導體製冷片TEC的散熱功率。圖5中的OUT+端和OUT-端分別接在半導體製冷片TEC的輸入端線上。根據CUK電路的輸出電壓和供電電源電壓的關係
，可得出PWM波占空比和半導體製冷片TEC輸入電壓的關係：

 

　　其中D為PWM波的占空比，

 

　　為半導體製冷片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，控製PWM波的占空比就可以控製半導體製冷片TEC的工作電壓。

 

　　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，進行不同的功率製冷，在一定程度上節約電力資源。

 

   本文的方法與傳統的散熱設計相比較，具有可控性好和製冷效果良好等優點，對於解決大功率LED照明係統散熱問題具有很現實的意義。