大功率LED光源散熱解決之道——半導體制冷
2016-08-05
近幾年來，隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入，大功率LED光源制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發和應用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，這使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。然而，LED照明系統的發展在很大程度上受到散熱問題的影響，對于大功率LED而言，散熱問題已經成為制約其發展的一個瓶頸問題。
而半導體制冷技術具有體積小、無須添加制冷劑、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，利用半導體制冷技術來解決LED照明系統的散熱問題，將具有很現實的意義。
本文以單片機AT89C51為控制核心，將半導體制冷技術引入到LED散熱研究中，采用PID算法和PWM調制技術實現對半導體制冷片的輸入電壓的控制，進而實現了對半導體制冷功率的控制，通過實驗驗證了該方法的可行性。
一、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 區的空穴發生復合。由于漂移到P 區的自由電子具有高于P 區價電子的能量，復合時電子回到低能量態，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%則以點振動的形式轉化為熱能。
由于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。對于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面：
1)減少LED的外量子效率;
2)縮短LED的壽命;
3)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。
二、半導體制冷原理
半導體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科，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通上直流電后，在接口處就會產生溫差和熱量的轉移。
在電路上串聯起若干對半導體熱電偶對，而傳熱方面是并聯的，這樣就構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境中去吸熱降溫，這就是半導體制冷的原理。
本文采用半導體制冷是因為與其他的制冷系統相比，沒有機械轉動部分、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用。
三、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、控制電路模塊及制冷模塊組成。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時溫度，與溫度設定模塊通信設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，當采集的實時溫度小于制冷啟動溫度時，無PWM調制波輸出，制冷模塊處于閑置狀態;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調制波，制冷模塊啟動大功率的制冷方式。
四、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。本方案采用低價位、高性能的AT89C51作為主控芯片，實現整個系統的邏輯控制功能;采用單線通信的高精度溫度傳感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，制冷啟動溫度和強制冷溫度由鍵盤輸入;設計了PWM控制電路，實現對半導體制冷片TEC[5]的工作電壓的控制，進而實現對半導體制冷片TEC制冷功率的控制，以達到對LED芯片及時散熱的效果。
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，提高了整個系統的抗干擾能力;光電耦合器把輸入端(單片機AT89C51)和輸出端(半導體制冷片TEC)電氣隔離，避免了主控芯片AT89C51受到意外傷害，有效保護了單片機AT89C51。
