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大功率LED光源散热解决之道——半导体制冷

发表时间:2016-08-05   责任编辑:深圳市立洋光电子股份有限公司    0

  近几年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,大功率LED光源制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用,各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展,这使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。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。

  本文以单片机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。


  一、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:


  1)减少LED的外量子效率;


  2)缩短LED的寿命;


  3)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。


  二、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。


  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。


  三、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、控制电路模块及制冷模块组成。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。


  四、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。


  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。


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