大功率LED光源散热解决之道——半导体制冷
2016-08-05
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。
