大功率LED有源溫控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

摘要：由于大功率LED供電時(shí)其大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果熱量不能有效散出，將嚴(yán)重影響其光照亮度及其使用壽命。為了大功率LED散熱的實(shí)際需要，提出并實(shí)現(xiàn)了一種LED有源溫控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，采用熱電制冷效應(yīng)，使用LED驅(qū)動(dòng)器本身作為制冷器的驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)建立基于半導(dǎo)體傳感器的溫控監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)內(nèi)部數(shù)字PI調(diào)節(jié)器形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后獲得LED有源溫控系統(tǒng)的具體配置方式，并分析測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果，展示了有源溫控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
關(guān)鍵詞：電力電子；有源溫控；電橋；LED

0 引言
    大功率LED的正向壓降和電流都比較大，其消耗的功率也比較大。目前大功率白光LED的電光轉(zhuǎn)換效率約為15％，剩余的85％則轉(zhuǎn)化為熱能，而一般LED芯片尺寸僅為φ2～φ5 mm，因此其功率密度很大。同時(shí)與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光LED的發(fā)光光譜基本屬于可見(jiàn)光范圍內(nèi)，不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放，如果熱量集中在尺寸很小的管芯內(nèi)部而不能有效散出，就會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布，同時(shí)芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過(guò)一定水平時(shí)器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，元件溫度每上升2℃，LED可靠性將下降10％左右。
    同時(shí)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)白光LED器件的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，在100℃的溫度下，波長(zhǎng)可以紅移2～9 nm。從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差，并且會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減少1％左右，當(dāng)器件從環(huán)境溫度上升到120℃時(shí)，亮度下降多達(dá)35％。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問(wèn)題更加嚴(yán)重，因此解決散熱問(wèn)題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件，因此，如何提高散熱能力是大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

1 有源溫控LED的開(kāi)發(fā)
    目前幾乎所有控制LED溫度的方式都是通過(guò)增加散熱面積，改善散熱材料等被動(dòng)方式散熱，但是這種方法受環(huán)境溫度和LED功率大小限制，其作用效果有限，并且可控性很差，因此改善效果往往不能達(dá)到的要求。于是，這里提出了一種使用熱電致冷器件TEC主動(dòng)控制LED溫度的方法。這種方法當(dāng)然也要消耗能源來(lái)制冷，但在必要時(shí)則能強(qiáng)制LED管芯局部降溫，從而仍可能有積極的作用。
1．1 TEC工作原理
    TEC是利用熱電致冷效應(yīng)原理制成。所謂熱電致冷效應(yīng)，是指當(dāng)直流電流通過(guò)具有熱電轉(zhuǎn)換特性的導(dǎo)體組成的回路時(shí)，具有致冷制熱的功能。半導(dǎo)體制冷是熱電制冷的一種，即直流電通過(guò)半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)回路時(shí)，在PN結(jié)的接觸面上有熱電能量轉(zhuǎn)換的特性，這種效應(yīng)又稱為帕爾貼效應(yīng)。帕爾貼效應(yīng)是法國(guó)物理學(xué)家帕爾貼(Petter)在1834年發(fā)現(xiàn)的。兩種不同導(dǎo)體聯(lián)成的閉合回路，當(dāng)在此環(huán)路中接入電源時(shí)，一個(gè)焊接點(diǎn)的溫度降低為吸熱端；另一個(gè)焊接點(diǎn)的溫度升高為放熱端。這種現(xiàn)象被稱為熱電制冷和制熱。又由于半導(dǎo)體材料是一種較好的熱電能量轉(zhuǎn)換材料，在國(guó)際上熱電制冷器件普遍采用半導(dǎo)體材料制成，因此稱為半導(dǎo)體制冷器。
    當(dāng)有外加直流電流I流過(guò)2種不同的金屬組成的閉合回路時(shí)，在一個(gè)接頭上會(huì)有熱量Q的吸收，而在另一個(gè)接頭上會(huì)有熱量Q放出，這種吸收或放出的熱量稱為帕爾貼熱。帕爾貼熱和通過(guò)該導(dǎo)體的電流關(guān)系為：
    Q=πI     (1)
    式中：π為帕爾貼系數(shù)，與材料的溫差電動(dòng)勢(shì)率α和接頭溫度T1有關(guān)，π=αT1。帕爾貼熱只與2種導(dǎo)體的性質(zhì)及接頭的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體其他部分的情況無(wú)關(guān)，且這種效應(yīng)是可逆的。

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    半導(dǎo)體制冷器的基本致冷單元，是把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體用金屬連接片焊接起來(lái)組成的電偶，如圖1(a)所示。載流子通過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)，必然與周圍環(huán)境進(jìn)行能量交換，能級(jí)的改變是現(xiàn)象的本質(zhì)。N型半導(dǎo)體有多余的電子，具有負(fù)溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子子是空穴，電子不足，具有正溫差電勢(shì)，當(dāng)電子從P型半導(dǎo)體穿過(guò)結(jié)點(diǎn)到N型半導(dǎo)體時(shí)，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量，結(jié)點(diǎn)溫度降低。相反，當(dāng)電子從N型半導(dǎo)體流至P型半導(dǎo)體時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就升高。由于單個(gè)電偶產(chǎn)生的熱效應(yīng)較小，所以實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體制冷器，是將多個(gè)這樣的電偶對(duì)一起串聯(lián)使用，如圖1(b)所示，這樣才能夠同時(shí)吸收或者釋放更多的熱量。通過(guò)改變TEC兩端的電流流向就能夠控制熱量吸收和釋放，同時(shí)控制電流的大小，就能控制TEC發(fā)熱或者制冷的功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED溫度的控制。由于對(duì)于LED來(lái)說(shuō)主要是控制其溫度不能超過(guò)其允許范圍，因此只需控制電流的大小而不必控制方向。
1．2 溫度測(cè)量方法
    控制溫度需要溫度檢測(cè)裝置，這里采用熱敏電阻元件作為溫度的傳感器，通過(guò)測(cè)量其電阻值的大小來(lái)判斷溫度的大小。這樣希望溫度控制在某個(gè)值就有了溫度的給定，到溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再到溫度的檢測(cè)作為反饋就構(gòu)成了溫度的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
    溫度信號(hào)首先要變成比較容易處理的電信號(hào)，這里采用溫度傳感器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。常見(jiàn)的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻、RTD和集成溫度傳感器。熱敏電阻主要用于點(diǎn)溫度、小溫差的測(cè)量，遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測(cè)量與控制，溫度的補(bǔ)償和電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)等。測(cè)溫范圍為-50～+450℃。與其他溫度傳感器相比，熱敏電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高、響應(yīng)迅速、測(cè)量線路簡(jiǎn)單，體積小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜，由于本身電阻值很大，因此可以不考慮引線長(zhǎng)度帶來(lái)的誤差，適于遠(yuǎn)距離的測(cè)量和控制。
    熱敏電阻的溫度系數(shù)有正有負(fù)，大概可分為NTC，PTC和CTR。NTC是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，PTC是正溫度系數(shù)熱敏電阻，CTR是臨界溫度熱敏電阻。NTC主要用于溫度測(cè)量和補(bǔ)償。本課題采用的是NTC型熱敏電阻。它的主要參數(shù)指標(biāo)有標(biāo)稱電阻值Rt、額定功率、電阻溫度系數(shù)α、測(cè)量功率、時(shí)間常數(shù)、耗散系數(shù)、穩(wěn)壓范圍等。
    一般而言，溫度的測(cè)量由溫度傳感器和電橋2部分組成。本課題研究的LED溫度的測(cè)量利用熱敏電阻和差分輸入電橋兩部分組成。采用單電橋的測(cè)溫電路如圖2所示。

    圖中RX為熱敏電阻；UR為參考基準(zhǔn)電壓，要求參考電壓輸出必須精確穩(wěn)定，一旦紋波過(guò)大，則會(huì)影響電橋的測(cè)量精度。橋臂上其余電阻也采用高精度的精密電阻，以保證精確測(cè)量的需要。根據(jù)電路以及運(yùn)算放大器的原理可以得到UO與UR的關(guān)系式：
   
    通過(guò)電路仿真得到UO與RX的關(guān)系曲線如圖3所示。圖中UR選取5 V，經(jīng)過(guò)合理配置R1=1 kΩ，R2=R3，當(dāng)RX大約在0．33～3 kΩ之間變化時(shí)，UO的輸出在范圍為0～5 V。本論文中0～5 V作為計(jì)算機(jī)信號(hào)代表LED的溫度信號(hào)變化范圍為-20～+200℃。因此通過(guò)熱敏電阻將溫度信號(hào)反饋到320單片機(jī)的A／D，再通過(guò)單片機(jī)控制TEC的電流就可以形成LED的溫度反饋控制。

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2 LED有源溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    首先介紹LED有源溫控系統(tǒng)的配置方式，然后通過(guò)對(duì)溫升數(shù)據(jù)的分析，指出LED有源溫控系統(tǒng)的可行性。
2．1 LED有源溫控系統(tǒng)的配置方式
    首先通過(guò)智能LED驅(qū)動(dòng)器給LED負(fù)載進(jìn)行供電，上位機(jī)通過(guò)CAN或RS 485總線將控制信號(hào)傳遞給LED驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制LED輸出電流的大小，即控制LED發(fā)光亮度的大小，而隨著發(fā)光亮度的不同，LED的熱量也有很大的變化，亮度越高，其表面越熱，然后溫度傳感器將其溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，傳遞到LED驅(qū)動(dòng)器的微處理控制模塊，經(jīng)過(guò)A／D采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再由CAN／485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上，上位機(jī)根據(jù)所傳輸數(shù)據(jù)的大小通過(guò)內(nèi)部數(shù)字PI控制器計(jì)算并輸出到微處理器控制模塊，再由微處理器控制模塊將相應(yīng)的控制電壓給到驅(qū)動(dòng)器上，由驅(qū)動(dòng)器對(duì)LED制冷器進(jìn)行供電，而微處理器供給的控制電壓的大小直接控制制冷器電流的大小，即制冷器制冷強(qiáng)度的大小，整個(gè)過(guò)程是一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)，不需人為調(diào)節(jié)，由傳感器，驅(qū)動(dòng)器電路，總線，上位機(jī)，制冷器自動(dòng)控制。
    本系統(tǒng)以C8051F340單片機(jī)為核心，與外部監(jiān)控單元和接收機(jī)單元均采用串行口通信；單片機(jī)采集輸出電流反饋信號(hào)；環(huán)路校正采用數(shù)字PI校正，用軟件編程實(shí)現(xiàn)；校正輸出的信號(hào)送至F340內(nèi)部產(chǎn)生的數(shù)字脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)，通過(guò)PWM加載到驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，從而改變負(fù)載輸出功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    對(duì)于數(shù)字校正來(lái)說(shuō)，環(huán)路的控制是按照一定的采樣周期進(jìn)行的。本系統(tǒng)中采樣周期選為20 ms。系統(tǒng)反饋控制單元采用數(shù)字PI校正，用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于模擬環(huán)路校正來(lái)講，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器具有調(diào)試方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。下面對(duì)本系統(tǒng)所采用的數(shù)字PI控制器進(jìn)行詳細(xì)的介紹。[!--empirenews.page--]
    PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，其中，τ為積分時(shí)間常數(shù)；kp為比例系數(shù)，這里τ=0．03，kp=1。該調(diào)節(jié)器的模擬輸出為：

2．2 LED的溫升實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析
    表1為不加TEC制冷而測(cè)試出的輸出電壓，溫度與熱敏電阻阻值的關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可以看出，其熱敏電阻值與輸出電壓的關(guān)系與圖3模擬仿真結(jié)果基本一致，誤差不超過(guò)1％。

    而當(dāng)加入TEC制冷器以后，無(wú)論發(fā)光亮度有多大，LED表面溫度都迅速降溫為25℃左右，達(dá)到了預(yù)期制冷的效果。表2為加入TEC制冷器后輸出電壓，溫度與熱敏電阻阻值的關(guān)系。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文給出了一種新型的LED有源溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用降壓型LED驅(qū)動(dòng)器作為TEC制冷器的驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)建立基于半導(dǎo)體傳感器的溫控監(jiān)測(cè)電路，形成一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)主動(dòng)散熱的方式為大功率LED高效可靠的工作提供保證，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，證實(shí)此方法準(zhǔn)確，有效，具有開(kāi)發(fā)的價(jià)值。