基于半导体制冷的大功率LED温度控制系统

李长光，李宇杰，王子瑜，王 喆，常 进，霍 曜

(1.哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院，山东威海 264209;2.东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

基于半导体制冷的大功率LED温度控制系统

李长光1，李宇杰1，王子瑜1，王 喆2，常 进1，霍 曜1

(1.哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院，山东威海 264209;2.东北林业大学交通学院，黑龙江哈尔滨 150040)

采用半导体制冷技术对大功率LED主动散热，设计并搭建了以微控制器(STC89C52)和半导体制冷器(TEC1-12703)为核心的大功率LED温度控制系统，实现了温度的测量、显示、设置及控制。该温控系统的控制部分输出不同占空比的PWM波，控制半导体制冷片驱动电流的大小，从而达到不同的制冷效果，完成温度控制。实验结果表明，当环境温度为22～25℃时使用该系统对7×3W的LED模组进行温度控制，可使LED模组的基板温度稳定在40～70℃。LED基板的上、下极限温度分别设置为64℃和65℃时，实际制冷所消耗的功率只有LED工作功率的27%。该系统制冷速度可达14℃/min，温度波动仅为±0.5℃，满足LED散热的需要。

集成电路技术;大功率LED;温度控制;半导体制冷;PWM

李长光，李宇杰，王子瑜，等.基于半导体制冷的大功率LED温度控制系统［J］.河北科技大学学报，2015，36(3):240-246.

LIChangguang，LIYujie，WANG Ziyu，et al.Temperature-controlling system for high power LEDs based on semiconductor coolers［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2015，36(3):240-246.

LED作为第四代光源，具有低功耗、高亮度、长寿命、节能环保等优势，已经被广泛应用于各种指示、显示、背光以及照明系统中。在实际应用中，LED的散热方式仍然以被动散热为主。然而，被动散热所采用的散热体体积大而且笨重，散热效率不高，导致散热问题制约着LED，尤其是大功率LED的发展和应用［1-4］。

半导体制冷具有热惯性小、制冷速度快、体小质轻、易于调控、寿命长、无噪声、无污染等优点［5-7］。近几年来，随着半导体制冷技术的不断进步，制冷材料的性能和制冷器件的结构都有了很大改善［8-11］，使得这种技术在各种需要制冷或控制温度的领域都展现出广阔的应用前景［12-19］。选用高效半导体制冷器作为超辐射发光二极管的关键部件，能保证其在-55～55℃的环境温度条件下稳定工作［12-13］。采用半导体制冷器对固态激光器进行热管理，能使激光器的工作环境温度相对稳定，保证它的输出功率和波长不会因温度的变化而变化［14-16］。刘谈平等［17］将开关原理与PID补偿技术相结合，用以驱动半导体激光器中的半导体制冷片，能够很好地将激光器的温度稳定在25℃。半导体制冷与其他散热方式(如金属热沉、风冷、液冷等)相配合还可以用于各种大功率LED的散热［18-19］。

房伟［20］采用模块化的设计思想，设计出基于PWM(pulse width modulation，脉冲宽度调制)的半导体制冷温度控制系统，并通过仿真模拟了将该系统用于LED散热的效果。本文采用相同的设计思想，根据实际LED模组的工作情况对其方案进行了适应性改进，制作出相应的温度控制系统实物，并将该实际系统用于7×3 W LED模组的温度控制，对控温效果进行了实际测量。

1 半导体制冷原理及系统总体方案的设计

半导体制冷器的基本结构是半导体热电偶对，即如图1 a)所示把一块N型半导体和一块P型半导体连接起来。通上直流电后，根据帕尔贴效应，在P型与N型半导体的两端会产生热量的转移，形成冷端和热端。电路中串联起若干对半导体热电偶对，就构成一个制冷热电堆，如图1 b)所示。热电堆在热量的传递和转移方面属并联方式，其热端连接热交换器，利用各种传热手段使热端不断散热并且保持一定的温度;冷端则置于工作环境中，不断吸热，达到制冷的效果。这就是半导体制冷的原理。

依照模块化的设计思想，整个温度控制系统由半导体制冷器、控制模块、温度设定模块、温度采集模块、驱动模块和显示模块构成，按照图2所示的方式进行连接、组合。

图1 半导体制冷原理示意图Fig.1 Principle of the semiconductor refrigeration

图2 温度控制系统原理图Fig.2 Schematic diagram of the temperature controlling system

该系统以微处理器作为控制模块的核心。工作时，首先应根据使用要求，通过温度设定模块输入预定的温度下限和上限值，利用温度采集模块测量LED基板的实时温度并输入到微处理器中，微处理器通过比较采集温度与设定温度的大小，输出不同占空比的PWM波，进而调控恒流驱动电路，输出一定大小的稳定电流，驱动半导体制冷片输出不同的制冷功率，对LED进行主动散热。显示模块用于显示设定的温度上限和下限值及测量所得LED基板的实时温度。

2 系统硬件设计

实物制作时，上述系统控制模块的逻辑控制单元采用微处理器STC89C52。该型号单片机有着优异的数字信号处理和管理功能。与之相配合进行温度检测和制冷片驱动的电路如图3所示。

图3 系统硬件设计Fig.3 Design and connection diagram

2.1 温度检测电路

本系统采用K型热电偶作为温度传感器，测量电路选用MAX6675芯片作为核心器件。图3 a)为温度检测电路的连接图。K型热电偶的热端被加热，使得冷、热两端的温度不同，在连接该热电偶的回路中就会产生热电势。MAX6675是MAXIM公司推出的K型热电偶串行模数转换器。它能独立完成信号放大、冷端补偿、线性化、A/D转换及SPI串口数字化输出等功能，大大简化了热电偶智能测量装置的软硬件设计。K型热电偶接在MAX6675的T+，T-端之间，其冷端同时接地。测温时，将引脚CS置成低电平，同时在SCK引脚上输入一串脉冲信号便能从SO引脚处读得温度数据。读取一个完整的温度数据需要16个脉冲信号，每个脉冲信号的下降沿输出一位数据。D15和D1是伪标志位，并总为0。D14—D3为相应的温度数据位。D2用于检测热电偶是否断线(D2为1表明热电偶断开)，D0则为三态。

2.2 驱动电路

考虑到成本和与其他器件的配合问题，本文选用芯片PT4115作为驱动电路的核心器件。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，其输入电压为6～30 V;输出电流可调，最大为1.2 A。在不同的输入电压和外部器件配置条件下，PT4115可以输出的驱动功率也有所不同，最高可达数十瓦。尽管它的驱动能力有限，但在其驱动能力范围内，仍可较好地实现本系统在LED温度控制方面的各项基本功能。

实际系统中驱动电路的器件配置如图3 b)所示。芯片PT4115为整个驱动电路的核心，共有5个管脚，管脚SW为功率开关的漏端，管脚GND接地，管脚DIM为开关使能、模拟和PWM输入端，管脚CSN为电流采样端，采样电阻接在CSN和VIN端之间，VIN为电源输入端。此外芯片PT4115的外围电路需要配置一定的器件，其中电容C3用于滤波和续流，二极管D3起整流和续流作用，采样电阻R3以及电感L3用于稳定恒流源的输出，P3代表负载，即半导体制冷片。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置平均电流，通过调节PWM波占空比D直接控制恒流源输出的电流大小，控制半导体制冷片的制冷功率，达到不同的制冷效果。在图3 b)所示的器件配置条件下，其输出电流的大小为I=(0.1/R3)×D。

3 软件设计

为了便于软件的调试与维护，系统的所有程序同样采用模块化结构，由一个主程序和若干子程序组成。子程序主要包括键盘设置程序、测温程序、PWM控制程序和显示程序。主程序通过调用各个子程序实现温度控制器的整体功能，子程序则依靠对标志位的判断完成相关事件的处理;各子程序均能快速返回主程序，而不发生调用冲突。整个程序采用C语言编程，图4即为主程序流程图。

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of themain program

系统开始工作时，首先启动单片机。单片机启动后会进行系统的初始化，系统初始化主要包括3方面的工作:1)定义各个I/O接口的输入输出方式;2)中断控制及定时器的初始化;3)温度显示模块LCD(liquid crystal display，液晶显示器)的初始化。然后，系统调用温度测量子程序，定时读取当前测量温度Tnow，并进行LCD显示;接着调用键盘设置子程序，读取设置的最高温度Thigh和最低温度Tlow，并进行LCD显示。最后单片机通过比较当前温度与设定温度的大小关系输出不同占空比的PWM波，进行温度的控制，其中温度的检测与反馈是实时进行的，直到LED停止工作，不再产生热量，这时程序结束，系统停止工作。

4 制冷效果测试与分析

4.1 大功率LED的升温测试

为了测试温度控制系统的实际控温效果，用一个7×3W的LED模组作为热源，将制冷片的冷端与LED模组的基板相连，热端与散热片相连，各接触表面均涂覆导热硅脂以降低接触热阻。实验过程中环境温度保持在22～25℃。

在制冷片未工作的情况下开启LED，记录基板温度随时间的变化，测量结果绘在图5 a)中。该LED模组的实际工作功率约为14 W时，其基板温度在10 min之内就上升到80℃以上，并且呈不断上升的趋势，将很快突破100℃。这说明在未加散热系统的情况下，该LED的散热问题非常严重。

4.2 制冷片级数对制冷效果的影响

选用半导体制冷片时主要考虑2个因素:一是制冷片的制冷能力要满足散热的要求;二是制冷片与LED基板的尺寸应尽量匹配，使基板散热更加均匀。TEC1-12703能很好地满足这2个要求，因此实验中用到的制冷片均采用这一型号。在控制电路输出端分别串联接入一级、二级、三级制冷片，考察制冷片级数对制冷效果的影响。启动温度控制系统，将Thigh和Tlow均设置在20℃，此时由于设置的温度上限和下限均低于室温，单片机的输出将始终保持在最大状态，即使PWM波占空比D始终为99%。开启LED，当LED基板达到相同的温度时(约为81℃)开始接入制冷片，并在不同级数制冷片条件下保持制冷电流值一致。记录不同级数制冷片条件下，LED基板温度随时间的变化，如图5 b)所示。

图5 LED基板温度随时间的变化曲线Fig.5 LED substrate temperature vs.time

只采用一级制冷片时，LED基板的温度在80 s内就由80℃降至60℃以下，400 s后可以稳定工作在60℃左右。

二级制冷较一级制冷有着更快和更明显的制冷效果。三级制冷达到稳定状态后制冷效果略好于二级制冷。然而，从功耗的角度考虑，三级制冷的功耗大于二级制冷，故在本实验条件下选择二级制冷较为适宜，以下实验结果均在二级制冷条件下测得。

二级制冷的制冷效果和降温速率都比较高。LED基板温度升到81℃后，立即接入二级制冷片，此时单片机输出的PWM波占空比为99%，流经制冷片的电流理论上为0.99 A。在制冷过程的前130 s内，温度就从80℃降至50℃以下，制冷速率达到14℃/min以上;之后逐渐趋于热平衡，基板温度有一定的回升，最终能稳定在57℃左右。此时由于Thigh和Tlow的设置并不合理，系统运行时间较短，且受到热端散热能力和外界环境(如空气的对流等因素)的影响，系统还未完全达到热平衡，这种条件下趋于平衡的过程中，LED基板的温度会有小范围的波动，但波动不大。条件改善后，这种波动将会得到控制和改善。

4.3 PWM波占空比对冷端温度及制冷功率的影响

采用制冷片制冷时，可以通过调节PWM波占空比，即调节制冷片驱动电流，直接调节制冷片稳定时的冷端温度，将冷端温度控制在某个适当的值。这样既可以达到降温制冷的目的，又可以防止冷端结霜导致LED失效，还可以降低制冷的功耗。图6 a)是PWM波占空比D与制冷片驱动电流I之间关系的实测结果。

图6 PWM波的占空比对制冷系统工作状态的影响Fig.6 Influence of the duty cycle of the PWM wave on the status of the cooling system

随着单片机输出PWM波占空比的增加，驱动电路的输出电流线性增大。系统的总功率P总可以用式(1)表示:

式中U总和I总分别是制冷系统(包括驱动和控制电路)总的输入电压和电流。

制冷片的制冷功率P1与驱动电流I(即通过制冷片的电流)之间的关系可以表示为

式中:U为制冷片两端的电压;R为制冷片电阻;ɑ为塞贝克系数;ΔT为制冷片冷热端之间的温度差;Th和Tc分别为制冷片热端和冷端的温度。式(2)中第2个等号右边第1项表示制冷片本身电阻所消耗的功率，主要用于产生焦耳热;第2项才是真正用于产生冷、热端温差的功率。U总，I总，U，I可以通过电表直接测得，ɑ和R由制冷片本身的性质决定，同时还受温度等其他因素的影响。实际测量时，用LED基板稳定温度Ts值近似冷端温度Tc值，得到Ts，ΔT，P总及P1与占空比D的关系如图6 b)所示。

随着占空比D，也就是驱动电流I的增大，整个系统消耗的功率P总和制冷片上消耗的功率P1也相应增大。D＜90%时，P总与占空比之间近似呈线性关系，这说明总功率中焦耳热消耗的功率较少。在实验所输入的电流范围内，P总均比P1大6W左右。这部分功率主要消耗在制冷片的外部控制和驱动电路上。

随着制冷片的驱动电流增大，LED基板的稳定温度Ts逐渐下降，而冷热端的温差ΔT逐渐增大。当输出占空比为50%时，Ts为76℃，此时热端温度仍低于冷端温度，ΔT为-6℃;当占空比为99%时，Ts下降为57℃，而ΔT则上升为56℃。LED基板的稳定温度在占空比为80%、电流为0.76 A时出现拐点。同时制冷功率P1也在这个位置出现拐点，且意味着P1与ΔT之间D＜80%时不为线性关系，而D＞80%时呈较明显的线性关系。也就是说，只有当D＞80%时制冷功率主要由产生冷、热端温差所需的实际功率决定，制冷片内部电阻消耗的功率所占比例较小。根据以上实验结果，实际制冷过程中应尽量使PWM波的占空比在80%以上，充分利用实际有效制冷功率较大的参数区间，以降低制冷功耗。

4.4 控温精度及稳定性测试

根据以上测试结果，综合考虑功耗和制冷效果，可以为制冷片设置3种不同的工作模式:

1)当实际温度Tnow高于设置的最高温度Thigh时，单片机输出占空比为99%的PWM波，制冷片工作在0.99 A电流下，制冷功率最大，为5.9W;

2)当实际温度Tnow低于制冷片设置的最低温度Tlow时，单片机输出占空比为0%的PWM波，制冷片驱动电流为0 A，制冷片不工作;

3)当实际温度处于最高温度Thigh和最低温度Tlow之间时，单片机输出占空比为10% ～50%的PWM波，使制冷片工作在小的电流下，处于一种稳定的制冷状态。

这种设置避免了半导体制冷片的频繁开关，减小了开关频率对半导体制冷片寿命的影响，能达到满意的制冷效果，同时减小功耗。这种设置方式要求第3种工作模式下PWM波的占空比必须合理，以减小温度的波动。实验中将占空比设置为30%，并测试了这种条件下，该系统的精度及控温稳定性。

设置制冷片最高温度 Thigh=65℃，最低温度Tlow=64℃，记录LED基板温度随时间的变化。图7就是在以上条件下得到的测试结果。LED基板温度在100 s内由80℃降至控温范围(64～65℃)以内，此后基本保持在该范围。从100 s到450 s，LED基板温度一直稳定在63.7～64.7℃，仅有2个数据点略小于64℃，温度波动范围为±0.5℃，温控效果良好，温控精度达到1℃。实现这样的控温目标所消耗的制冷功率约为3.8W，仅为此时LED模组所消耗功率的27%。

图7 温控稳定性测试(插图是稳定阶段LED基板温度随时间变化部分的放大)Fig.7 Stabilization test for temperature control(The inset is an enlarged plot of the LED substrate temperature vs.time after a stable state is achieved)

5结论

本文针对LED的散热问题，根据半导体制冷原理设计并搭建了以STC89C52为核心的大功率LED温度控制系统，实现了温度的设定、测量、显示与控制。采用不同级数的TEC1-12703制冷片对7×3W的LED进行温度控制时，LED基板的温度可以长时间稳定在40～70℃。其中二级制冷片的制冷效果最佳，降温速率达到14℃/min以上，控温精度达到1℃。将LED灯基板的温度控制在(64±0.5)℃所需要消耗的制冷功率仅为LED灯功率的27%。

由于现有实验条件和成本的限制，本实验中所使用的控温系统配置如下:

1)控制模块及其他辅助模块所消耗的功率偏大;

2)驱动模块的驱动能力有限;

3)热端的散热条件还没有优化。这些都导致TEC1-12703制冷片无法实现最大的制冷效率。尽管如此，以上实验结果仍然证明了这种基于PWM的模块化半导体制冷温度控制系统能够实现较高的制冷效率，完全满足大功率LED散热的需要。

由于，这种控温系统简单、灵活，只要根据实际情况进行合理的硬件配置，不但可以用于大功率LED的散热，还可以用于其他功率器件及应用场合(如CPU、激光器、红外线探测器探头、各种需要在低温下工作的设备等)的温度控制。进一步优化配置、降低成本、并提高整体温度控制系统的集成度，将是下一步需要继续研究和改进的内容。

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Temperature-controlling system for high power LEDs based on semiconductor coolers

LIChangguang1，LIYujie1，WANG Ziyu1，WANG Zhe2，CHANG Jin1，HUO Yao1
(1.School of Materials Science and Engineering，Harbin Institute of Technology atWeihai，Weihai，Shandong 264209，China;2.Department of Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang 150040，China)

Semiconductor refrigeration was used for heat dissipation of high power LEDs.A practical temperature-controlling system was designed and builtwith amicrocontroller unit(STC89C52)and a thermoelectric coolingmodule(TEC1-12703)as the core components.Functions including temperaturemeasurement，display，setup，and control were realized.PWM(pulse width modulation)was applied to regulate the driving current of the thermoelectric cooler.Effective refrigeration and temperature control were thus achieved.This system was used for the temperature control ofa LEDmodulewith the power of7×3W.When the environment temperature was22～25℃，the substrate temperature of the LEDmodule could be stabilized in the range of40～70℃.If the upper and lower temperature limits of the LED substratewere set to be 64℃and 65℃，respectively，the power consumed by thermoelectric coolingwas only 27%of that consumed by the LEDs.The temperature-controlling system had a high cooling speed(up to 14℃/min)and small temperature fluctuation(only±0.5℃).It fulfilled the requirements for LED temperature control and could be used formany other applications.

integrated circuit technique;high power LED;temperature control;semiconductor coolers;PWM

TN383;TP274;TB69

A

1008-1542(2015)03-0240-07

10.7535/hbkd.2015yx03003

2014-11-20;

2015-01-09;责任编辑:张 军

国家自然科学基金(51205082);威海市科技发展计划项目(2011DXGJ04);先进焊接与连接国家重点实验室开放课题研究基金(AWPT-Z12-02)

李长光(1992—)，男，山东阳谷人，主要从事LED散热方面的研究。

李宇杰教授。E-mail:liyujie@hit.edu.cn