大功率LED有源温控系统的开发

1、大功率LED有源温控系统的开发    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2mm5mm，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1，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

2、每上升2，LED 可靠性将下降l0%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29nm。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l，LED 的发光强度会相应减少l%左右，当器件从环境温度上升到l20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

3、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

4、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(Pettier)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2。当有外加直流电流I 流过两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 = - I (1)式中 为帕尔贴

5、系数，与材料的温差电动势率 和接头温度T1 有关， = T1。帕尔贴热只与两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。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

6、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3。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做为温度的传感器，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

7、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。与其它温度传感器相比，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4。热敏电阻的温度系数有正有负，大概可分为NTC，PTC 和CTR 三种。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

8、是临界温度热敏电阻37。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 、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两部分组成。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5：通过电路仿真得到的UO 与RX 关

9、系曲线如所示。图中UR 选取5V，经过合理配置R1=1k、R2=R3，则当RX 大约在0.33k3k 之间变化时，UO 输出在范围为0V5V。本论文中0V5V 作为计算机信号代表LED 的温度信号变化范围为-20200。因此通过热敏电阻将温度信号反馈到PIC 单片机的AD，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。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485 总线将控制信号传

10、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自动发送相应的控制信息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

11、器电路，总线，上位机，制冷器自动控制6。2.2 LED 的温升数据分析为不加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。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 结论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。参考文献 (References)1 沈海平，潘建根，冯华君.色温可调多芯片白光LED 光源的设计J.半导体光子学与技术(英文版).2008,48(1)2 刘思久，滕岩峰等. 基于USB 总线的测试系统开发J.电测与仪表. 2002,