大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案研究

 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，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：⑴减少LED的外量子效率;⑵缩短LED的寿命;⑶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4×3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TEC[5]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