大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案VIP免费

大功率LED照明系统的瓶颈与解决方案2011年04月26日来源：网络[责任编辑：wangpan]本文选自跨越LED家居照明应用设计的最后门槛专题，浏览该专题其他文章请点击>>>中心议题：*AT89C51将半导体制冷技术引入到LED散热中解决方案：LED热量产生的原因及热量对LED性能的影响半导体制冷原理系统总体设计方案硬件电路设计及其元件选择以单片机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。1LED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...