大功率LED有源温控系统的开发[1]

　　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Φ2mm~Φ5mm，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 2~9nm。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(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：

　　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。

　　图 1 TEC 制冷制热原理

　　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[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 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如图 2 所示。

　　图2 电桥测温原理图

　　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关系曲线如图 3 所示。图中 UR选取 5V，经过合理配置R1=1k、R2=R3，则当 RX大约在 0.33k~3k 之间变化时，UO输出在范围为 0V~5V。本论文中0V~5V 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 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。

　　图3 UO与RX关系曲线图