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大功率LED光源散熱解決之道——半導體制冷

發表時間:2016-08-05   責任編輯:深圳市立洋光電子股份有限公司    0

  近幾年來,隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入,大功率LED光源制造工藝的不斷進步和新材料(氮化物晶體和熒光粉)的開發和應用,各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展,這使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能。然而,LED照明系統的發展在很大程度上受到散熱問題的影響,對于大功率LED而言,散熱問題已經成為制約其發展的一個瓶頸問題。


  而半導體制冷技術具有體積小、無須添加制冷劑、結構簡單、無噪聲和穩定可靠等優點,隨著半導體材料技術的進步,以及高熱電轉換材料的發現,利用半導體制冷技術來解決LED照明系統的散熱問題,將具有很現實的意義。

  本文以單片機AT89C51為控制核心,將半導體制冷技術引入到LED散熱研究中,采用PID算法和PWM調制技術實現對半導體制冷片的輸入電壓的控制,進而實現了對半導體制冷功率的控制,通過實驗驗證了該方法的可行性。


  一、LED熱量產生的原因及熱量對LED性能的影響


  LED 在正向電壓下,電子從電源獲得能量,在電場的驅動下,克服PN 結的電場,由N 區躍遷到P 區,這些電子與P 區的空穴發生復合。由于漂移到P 區的自由電子具有高于P 區價電子的能量,復合時電子回到低能量態,多余的能量以光子的形式放出。然而,釋放出的光子只有30%~40%轉化為光能,其余的60%~70%則以點振動的形式轉化為熱能。

  由于LED是半導體發光器件,而半導體器件隨溫度的變化自身發生變化,從而其固有的特性會發生明顯的變化。對于LED結溫的升高會導致器件性能的變化和衰減。這種變化主要體現在以下三個方面:


  1)減少LED的外量子效率;


  2)縮短LED的壽命;


  3)造成LED發出光的主波長發生偏移,從而導致光源的顏色發生偏移。


  大功率LED一般都用超過1W的電功率輸入,其產生的熱量很大,解決其散熱問題是當務之急。


  二、半導體制冷原理


  半導體制冷又稱電子制冷,或者溫差電制冷,是從50年代發展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科,與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。半導體制冷器的基本器件是熱電偶對,即把一只N型半導體和一只P型半導體連接成熱電偶通上直流電后,在接口處就會產生溫差和熱量的轉移。


  在電路上串聯起若干對半導體熱電偶對,而傳熱方面是并聯的,這樣就構成了一個常見的制冷熱電堆。借助于熱交換器等各種傳熱手段,是熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度,而把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫,這就是半導體制冷的原理。


  本文采用半導體制冷是因為與其他的制冷系統相比,沒有機械轉動部分、無需制冷劑、無污染可靠性高、壽命長而且易于控制,體積和功率都可以做的很小,非常適合在LED有限的工作空間里應用。


  三、系統總體設計方案


  LED散熱控制系統由溫度設定模塊、復位模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、控制電路模塊及制冷模塊組成。該系統以微處理器為控制核心,與溫度采集模塊通信采集被控對象的實時溫度,與溫度設定模塊通信設定制冷啟動溫度和強制冷溫度。


  利用C語言對未處理編程可實現,當采集的實時溫度小于制冷啟動溫度時,無PWM調制波輸出,制冷模塊處于閑置狀態;當采集的實時溫度大于制冷啟動溫度但小于強制冷溫度時,輸出一定占空比的PWM調制波,制冷模塊啟動小功率的制冷方式;當采集的實時溫度大于強制冷溫度時,輸出一定占空比的PWM調制波,制冷模塊啟動大功率的制冷方式。


  四、硬件電路設計及其元件選擇


  該系統主要由溫度設定、溫度采集、PWM控制電路及輔助電路(復位電路和顯示電路)組成。本方案采用低價位、高性能的AT89C51作為主控芯片,實現整個系統的邏輯控制功能;采用單線通信的高精度溫度傳感DS18B20,實現對被控對象LED芯片實時溫度的采集;


  同時設計了4×3輸入鍵盤,制冷啟動溫度和強制冷溫度由鍵盤輸入;設計了PWM控制電路,實現對半導體制冷片TEC[5]的工作電壓的控制,進而實現對半導體制冷片TEC制冷功率的控制,以達到對LED芯片及時散熱的效果。


  PWM.控制電路由光電耦合器和一個Cuk電路[3]組成。在此控制電路中,光電耦合器能夠有效抑制接地回路的噪聲,消除地干擾,提高了整個系統的抗干擾能力;光電耦合器把輸入端(單片機AT89C51)和輸出端(半導體制冷片TEC)電氣隔離,避免了主控芯片AT89C51受到意外傷害,有效保護了單片機AT89C51。


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