大功率LED照明系統的瓶頸與解決方案研究

　　該系統采用美國DALLAS公司的生產的數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20是一款僅使用一根信號線(1-Wire)與單片機通信的溫度測量芯片，可以測量(滿足該系統的測溫要求)之間的溫度，利用程序編程可實現9為數字溫度輸出，測量精度為由于溫度高于  時，DS18B20表現出的漏電流比較大，可能出現與單片機AT89C51的通信崩潰，故采用外部電源模式供電。DS18B20最大的特點就是單總線傳輸方式，因此對讀寫數據位具有嚴格的時序要求。時序包括：初始化時序、讀時序、寫時序。每一次命令和數據的傳輸都是從單片機的啟動寫時序開始，如果要求DS18B20回送數據，在進行寫時序后，單片機需啟動讀時序完成數據接收，數據和命令的傳輸都是地位在先。
 

　　

圖4 DS18B20外接電源

　　4.4PWM控制電路

　　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。另外，此控制電路中還利用光電耦合器組成了開關電路，節省了開關器件的使用。Cuk直流斬波電路的功能是將+15V的外接電源轉變為可調電壓的直流電，即Cuk電路輸出端的電壓(半導體制冷片TEC的工作電壓)是可調的。輸出端OUT+和OUT-之間的可調電壓是受Q1端和Q2之間的關斷頻率控制的。在此控制電路中選用Cuk電路，因為Cuk斬波電路有一個明顯的優點，即其輸入電源電流和輸出負載電流都是連續的，且脈動很小，有利于保證半導體制冷片TEC處于良好的工作狀態。

　　限于篇幅有限，下面僅對此PWM控制電路進行簡單的介紹：當PWM控制信號為低電平時，晶體管T1處于截止狀態，光電耦合器中發光二極管的電流近似為零，輸出端Q1和Q2間的電阻很大，相當于開關“斷開”;當PWM波控制信號為高電平時，晶體管T1處于導通狀態，光電耦合器中發光二極管發光，輸出端Q1和Q2間的電阻很小，相當于開關“導通”。由上面介紹可知，當DS18B20采集的實時溫度小于制冷啟動溫度時，光電耦合器的PWM輸入端無信號輸入時，光電耦合器處于不工作狀態，圖5中的OUT+端和OUT-端無輸出電壓，即半導體制冷片處于閑置狀態;當DS18B20采集的實時溫度大于制冷啟動溫度時，光電耦合器的PWM輸入端有信號輸入，圖5中的OUT+端和OUT-端即有輸出電壓。通過PWM調制波控制Q1和Q2兩端的通斷，即可實現對半導體制冷片TEC工作電壓的控制，進而控制了半導體制冷片TEC的散熱功率。圖5中的OUT+端和OUT-端分別接在半導體制冷片TEC的輸入端線上。根據CUK電路的輸出電壓和供電電源電壓的關系，可得出PWM波占空比和半導體制冷片TEC輸入電壓的關系：

　　其中D為PWM波的占空比，　　　

　　為半導體制冷片TEC的工作電壓，E為供電電源的電壓(在此電路中E=15V)。由上式可知，控制PWM波的占空比就可以控制半導體制冷片TEC的工作電壓。

　　圖5 PWM控制電路

　　5結束語

　　隨著電力技術不斷的發展，大功率LED日益普及，然而大功率LED照明系統的散熱問題嚴重制約了其進一步發展，因此大功率LED照明系統的散熱問題也受到越來越多的重視。各個學科的研究人員也都投入到其中的研究當中，諸如尋找導熱性能更好的材料和提高其電光轉換效率等。針對這種情況，本文選擇一些成本低廉相對高性能的元器件，對LED芯片工作溫度不同的情況，進行不同的功率制冷，在一定程度上節約電力資源。此方案與傳統的散熱方案相比較，具有可控性好和制冷效果良好等優點，對于解決大功率LED照明系統散熱問題具有很現實的意義。