大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案研究

用4×3键盘[4]，包含0～9共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P1.0～P1.3充当行选线，P1.5～P1.7(外接上拉电阻到+5V电源)充当列选线。初始化时P1.0～P1.3置低电位，P1.5～P1.7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。DS18B20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

　　4.4PWM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。