大功率LED有源温控系统的开发

摘要：由于大功率LED供电时其大部分能量转化为热能，如果热量不能有效散出，将严重影响其光照亮度及其使用寿命。为了大功率LED散热的实际需要，提出并实现了一种LED有源温控系统的开发，采用热电制冷效应，使用LED驱动器本身作为制冷器的驱动电源，同时建立基于半导体传感器的温控监测电路，通过内部数字PI调节器形成一个完整的闭环控制系统，最后获得LED有源温控系统的具体配置方式，并分析测试的数据结果，展示了有源温控系统的准确性和可靠性。
关键词：电力电子；有源温控；电桥；LED

0 引言
    大功率LED的正向压降和电流都比较大，其消耗的功率也比较大。目前大功率白光LED的电光转换效率约为15％，剩余的85％则转化为热能，而一般LED芯片尺寸仅为φ2～φ5 mm，因此其功率密度很大。同时与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱基本属于可见光范围内，不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放，如果热量集中在尺寸很小的管芯内部而不能有效散出，就会导致芯片的温度升高，引起热应力的非均匀分布，同时芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定水平时器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2℃，LED可靠性将下降10％左右。
    同时，当温度过高时白光LED器件的发光波长将发生红移。据统计资料表明，在100℃的温度下，波长可以红移2～9 nm。从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差，并且会严重影响LED的使用寿命。在室温附近，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应减少1％左右，当器件从环境温度上升到120℃时，亮度下降多达35％。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更加严重，因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件，因此，如何提高散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术难题之一。

1 有源温控LED的开发
    目前几乎所有控制LED温度的方式都是通过增加散热面积，改善散热材料等被动方式散热，但是这种方法受环境温度和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达到的要求。于是，这里提出了一种使用热电致冷器件TEC主动控制LED温度的方法。这种方法当然也要消耗能源来制冷，但在必要时则能强制LED管芯局部降温，从而仍可能有积极的作用。
1．1 TEC工作原理
    TEC是利用热电致冷效应原理制成。所谓热电致冷效应，是指当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时，具有致冷制热的功能。半导体制冷是热电制冷的一种，即直流电通过半导体材料制成的PN结回路时，在PN结的接触面上有热电能量转换的特性，这种效应又称为帕尔贴效应。帕尔贴效应是法国物理学家帕尔贴(Petter)在1834年发现的。两种不同导体联成的闭合回路，当在此环路中接入电源时，一个焊接点的温度降低为吸热端；另一个焊接点的温度升高为放热端。这种现象被称为热电制冷和制热。又由于半导体材料是一种较好的热电能量转换材料，在国际上热电制冷器件普遍采用半导体材料制成，因此称为半导体制冷器。
    当有外加直流电流I流过2种不同的金属组成的闭合回路时，在一个接头上会有热量Q的吸收，而在另一个接头上会有热量Q放出，这种吸收或放出的热量称为帕尔贴热。帕尔贴热和通过该导体的电流关系为：
    Q=πI     (1)
    式中：π为帕尔贴系数，与材料的温差电动势率α和接头温度T1有关，π=αT1。帕尔贴热只与2种导体的性质及接头的温度有关，而与导体其他部分的情况无关，且这种效应是可逆的。

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    半导体制冷器的基本致冷单元，是把P型半导体和N型半导体用金属连接片焊接起来组成的电偶，如图1(a)所示。载流子通过结点时，必然与周围环境进行能量交换，能级的改变是现象的本质。N型半导体有多余的电子，具有负温差电势，P型半导体多数载流子子是空穴，电子不足，具有正温差电势，当电子从P型半导体穿过结点到N型半导体时，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量，结点温度降低。相反，当电子从N型半导体流至P型半导体时，结点的温度就升高。由于单个电偶产生的热效应较小，所以实际应用的半导体制冷器，是将多个这样的电偶对一起串联使用，如图1(b)所示，这样才能够同时吸收或者释放更多的热量。通过改变TEC两端的电流流向就能够控制热量吸收和释放，同时控制电流的大小，就能控制TEC发热或者制冷的功率，从而实现对LED温度的控制。由于对于LED来说主要是控制其温度不能超过其允许范围，因此只需控制电流的大小而不必控制方向。
1．2 温度测量方法
    控制温度需要温度检测装置，这里采用热敏电阻元件作为温度的传感器，通过测量其电阻值的大小来判断温度的大小。这样希望温度控制在某个值就有了温度的给定，到温度执行机构，再到温度的检测作为反馈就构成了温度的闭环自动控制系统。
    温度信号首先要变成比较容易处理的电信号，这里采用温度传感器将温度信号转变为电信号。常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、RTD和集成温度传感器。热敏电阻主要用于点温度、小温差的测量，远距离多点测量与控制，温度的补偿和电路的自动调节等。测温范围为-50～+450℃。与其他温度传感器相比，热敏电阻温度系数大、灵敏度高、响应迅速、测量线路简单，体积小、寿命长、价格便宜，由于本身电阻值很大，因此可以不考虑引线长度带来的误差，适于远距离的测量和控制。
    热敏电阻的温度系数有正有负，大概可分为NTC，PTC和CTR。NTC是一种具有负温度系数的热敏电阻，PTC是正温度系数热敏电阻，CTR是临界温度热敏电阻。NTC主要用于温度测量和补偿。本课题采用的是NTC型热敏电阻。它的主要参数指标有标称电阻值Rt、额定功率、电阻温度系数α、测量功率、时间常数、耗散系数、稳压范围等。
    一般而言，温度的测量由温度传感器和电桥2部分组成。本课题研究的LED温度的测量利用热敏电阻和差分输入电桥两部分组成。采用单电桥的测温电路如图2所示。

    图中RX为热敏电阻；UR为参考基准电压，要求参考电压输出必须精确稳定，一旦纹波过大，则会影响电桥的测量精度。桥臂上其余电阻也采用高精度的精密电阻，以保证精确测量的需要。根据电路以及运算放大器的原理可以得到UO与UR的关系式：
   

    通过电路仿真得到UO与RX的关系曲线如图3所示。图中UR选取5 V，经过合理配置R1=1 kΩ，R2=R3，当RX大约在0．33～3 kΩ之间变化时，UO的输出在范围为0～5 V。本论文中0～5 V作为计算机信号代表LED的温度信号变化范围为-20～+200℃。因此通过热敏电阻将温度信号反馈到320单片机的A／D，再通过单片机控制TEC的电流就可以形成LED的温度反馈控制。

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2 LED有源温控系统的实现
    首先介绍LED有源温控系统的配置方式，然后通过对温升数据的分析，指出LED有源温控系统的可行性。
2．1 LED有源温控系统的配置方式
    首先通过智能LED驱动器给LED负载进行供电，上位机通过CAN或RS 485总线将控制信号传递给LED驱动器来控制LED输出电流的大小，即控制LED发光亮度的大小，而随着发光亮度的不同，LED的热量也有很大的变化，亮度越高，其表面越热，然后温度传感器将其温度信号转化为电压信号，传递到LED驱动器的微处理控制模块，经过A／D采样转化为数字信号，再由CAN／485总线将数据发送到上位机上，上位机根据所传输数据的大小通过内部数字PI控制器计算并输出到微处理器控制模块，再由微处理器控制模块将相应的控制电压给到驱动器上，由驱动器对LED制冷器进行供电，而微处理器供给的控制电压的大小直接控制制冷器电流的大小，即制冷器制冷强度的大小，整个过程是一个完整的闭环系统，不需人为调节，由传感器，驱动器电路，总线，上位机，制冷器自动控制。
    本系统以C8051F340单片机为核心，与外部监控单元和接收机单元均采用串行口通信；单片机采集输出电流反馈信号；环路校正采用数字PI校正，用软件编程实现；校正输出的信号送至F340内部产生的数字脉宽调制信号(PWM)，通过PWM加载到驱动电路的输入端，从而改变负载输出功率系统结构如图4所示。

    对于数字校正来说，环路的控制是按照一定的采样周期进行的。本系统中采样周期选为20 ms。系统反馈控制单元采用数字PI校正，用软件编程来实现。相对于模拟环路校正来讲，数字PI调节器具有调试方便、可靠性高等优点。下面对本系统所采用的数字PI控制器进行详细的介绍。[!--empirenews.page--]
    PI调节器的传递函数为

，其中，τ为积分时间常数；kp为比例系数，这里τ=0．03，kp=1。该调节器的模拟输出为：

2．2 LED的温升实验测量数据分析
    表1为不加TEC制冷而测试出的输出电压，温度与热敏电阻阻值的关系。由表中数据可以看出，其热敏电阻值与输出电压的关系与图3模拟仿真结果基本一致，误差不超过1％。

    而当加入TEC制冷器以后，无论发光亮度有多大，LED表面温度都迅速降温为25℃左右，达到了预期制冷的效果。表2为加入TEC制冷器后输出电压，温度与热敏电阻阻值的关系。

3 结语
    本文给出了一种新型的LED有源温控系统的设计，使用降压型LED驱动器作为TEC制冷器的驱动电源，同时建立基于半导体传感器的温控监测电路，形成一个完整的闭环控制系统，通过主动散热的方式为大功率LED高效可靠的工作提供保证，此系统的设计经过实验论证，证实此方法准确，有效，具有开发的价值。