王 莉，劉永成，王志斌

（1.河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津300401；2.杭州之江開關(guān)股份有限公司，浙江 杭州311200；3燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

引言

大功率LED總功耗的70%以上用于產(chǎn)熱［1－3］，如不及時散去，將導(dǎo)致壽命光通量減小，光譜紅移，使用壽命減小等后果［4－7］，因而為了保證大功率LED的使用壽命，通常規(guī)定LED的結(jié)溫不得高于125℃［8－9］，而在結(jié)溫低于125℃的情況下，LED的光通量會隨著溫度的上升而出現(xiàn)可逆性的減小，當(dāng)光通量減小到額定值的70%時，燈具達(dá)不到照明效果，為了保證大功率LED的壽命和高效工作，規(guī)定大功率LED的工作溫度不得高于80℃［10］，其理想結(jié)溫不高于60℃［11］。根據(jù)半導(dǎo)體制冷／加熱的原理，楊景發(fā)、張建飛等人通過改變電流的方向來對大功率LED的結(jié)溫進(jìn)行控制［12］。臺灣的Bin－Juine Huang等人通過實(shí)驗(yàn)得到96W的LED燈具系統(tǒng)的動力學(xué)模型，利用系統(tǒng)動力學(xué)模型用PIC微處理器實(shí)現(xiàn)LED溫度控制［13］。李婷將檢測到的LED工作時的溫度送入單片機(jī)，然后由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制LED溫度的操作［14］；楊日榮提出并設(shè)計(jì)了一種基于32位ARMCortex－M3內(nèi)核控制器的溫度測控方案，通過LCD和終端監(jiān)控實(shí)時掌握當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)不同狀態(tài)控制制冷模塊［15］。本文針對大功率LED存在的散熱問題，由于LED燈具散熱系統(tǒng)模型未知，為了保證LED長時間、高效的工作，需保證LED工作溫度較低且基本穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了雙輸入模糊控制器，使LED在復(fù)雜環(huán)境條件下，保持溫度恒定，最終保證光通量基本恒定。

1 LED自然對流散熱分析

在自然對流條件下，對單片15W大功率LED進(jìn)行熱學(xué)仿真，由圖1所示可以看到，在忽略材料熔點(diǎn)的情況下，芯片的最高溫度已經(jīng)達(dá)到185℃，而在實(shí)際中，此時芯片已經(jīng)燒毀。當(dāng)多片芯片工作時，散熱環(huán)境將更為惡劣，僅通過自然對流換熱已無法滿足散熱需求，因此課題組設(shè)計(jì)了一種主動散熱系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制方案。

2 系統(tǒng)控制分析

圖1 LED自然對流溫度分布圖Fig.1 LED natural convection temperature distribution

單片機(jī)控制器通過熱電偶采集芯片基板溫度數(shù)據(jù)，通過輸出PWM信號，控制水泵和風(fēng)扇工作。可設(shè)計(jì)一種模糊控制器，基于基板溫度和溫度變化率，自動調(diào)節(jié)水泵和風(fēng)扇工作，最終使基板溫度保持恒定。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，T0為設(shè)定溫度，可根據(jù)LED芯片結(jié)溫模型推導(dǎo)出LED在理想結(jié)溫60℃工作時的基板溫度。TF為采集到的反饋基板溫度，在該系統(tǒng)中，最終的控制目的是維持基板溫度基本恒定以保持結(jié)溫的恒定，因此可以選取基板溫度變化量和變化率作為控制器輸入量，設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的差值為e及差值變化率為ec，二者作為模糊控制器FC的輸入量，控制器的輸出信號通過驅(qū)動芯片，最終調(diào)節(jié)散熱部件工作功率，調(diào)節(jié)散熱效果，最后通過溫度傳感器采集基板溫度，再次獲得反饋信號。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System control structure

對于模糊控制器模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，外部信號進(jìn)入模糊控制器進(jìn)行模糊化處理，然后模糊推理，得到輸出信號，最后再將模糊推理結(jié)果解模糊，得到確定值后輸出。因此對于模糊控制器設(shè)計(jì)，首先要確定輸入變量，基于輸入變量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)編制規(guī)則表，進(jìn)行模糊判斷，最后選取合適的解模糊方法，以獲取精確輸出值。

圖3 模糊控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Internal structure of fuzzy controller

3 基板溫度推導(dǎo)

系統(tǒng)采用的是基于COB封裝的大功率LED，單片功率為15W。芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示，由于大功率LED的產(chǎn)熱率較高，芯片體積極小、鋁基板的導(dǎo)熱性良好，所以LED的熱阻主要為接觸熱阻，LED的三級熱阻模型如圖5所示，其中：TJ為芯片溫度；TB為基板溫度；TS為散熱器溫度；TA為周圍環(huán)境溫度；RJ－B為芯片到基板的熱阻；RB－S為基板至散熱器的熱阻；RS－A為散熱器至周圍環(huán)境的熱阻。

圖4 COB封裝大功率LED結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of LED with COB encapsulation

圖5 芯片三級熱阻模型Fig.5 Chip’s thermal resistance model

設(shè)定LED生熱率為70%，則4片15W的LED芯片總的熱功率為42W。電偶與基板接觸的溫度為

固體介質(zhì)熱阻計(jì)算公式采用公式（2），進(jìn)行計(jì)算。

式中：P為接觸面上傳遞的熱功率；S為導(dǎo)熱面面積。

單顆LED晶片通常為邊長1mm的正方形，晶片通過導(dǎo)熱銀膠固定在基板上，導(dǎo)熱銀膠的厚度通常為1mil～3mil（約為0.025mm～0.076 mm），導(dǎo)熱率為25W／m·K，導(dǎo)熱總面積為30 mm2，則可計(jì)算其熱阻約為0.101K／W，通過熱阻可得出溫差為1.06℃。

基板和散熱器之間靠導(dǎo)熱硅膠固定，選取導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W／m·K，厚度為0.5 mm，截面積為20cm2，則其熱阻為0.208W／K，可獲得導(dǎo)熱硅膠的溫差為2.18℃。而LED的理想結(jié)溫不高于60℃，從而可獲得基板底部溫度為不高于56.76℃，由于熱電偶的分辨率為0.25℃，所以，實(shí)驗(yàn)設(shè)定基板溫度不高于56℃。

4 輸入量選取及范圍求解

4.1 輸入變量e論域的確定

實(shí)際的輸入量為x0＊，其變化范圍（基本論域）為［x＊min，x＊max］，要求的論域范圍為［xmin，xmax］，采用線性變換，則為式中：k為比例因子，其值為

設(shè)給定的LED基板溫度為T0，實(shí)際測得的溫度為T，則溫度差為e＝T0－T（給定與實(shí)際值之差），取其語言變量為E，由上述計(jì)算可知T0小于56℃，所以可設(shè)定T0為35℃，在溫度低于T0時，散熱系統(tǒng)不工作，因而選取T的實(shí)際論域?yàn)椋?5，50］，設(shè)置比例因子k＝1，則e∈［－15，0］。選取隸屬函數(shù)為三角形，所對應(yīng)的語言值為｛負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（Z）｝其分布圖形如圖6所示。

圖6 e論域模糊子集分布圖Fig.6 Subset field distribution of e

4.2 輸入變量e c的確定

系統(tǒng)溫度誤差前后兩次采樣值的變化率是e c＝e2－e1，取其語言變量為E C，設(shè)置語言值為｛負(fù)大（NB），負(fù)?。∟S），零（Z），正小（PS），正大（PB）｝。分別表示當(dāng)前溫度變化e2－e1為：快速上升、上升、不變、下降、快速下降。

e c的實(shí)際論域可通過實(shí)驗(yàn)測得，在散熱系統(tǒng)無功率輸出狀態(tài)下，4片15W大功率LED芯片基板的升溫曲線如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)溫度在［40，60］的區(qū)間內(nèi)趨近于線性增長。

取35℃至60℃之間的點(diǎn)利用matlab的cftool工具箱進(jìn)行擬合，得到曲線如圖8所示，擬合的直線的斜率為0.042 09。設(shè)定溫度的采樣周期為50s，則實(shí)際的e c論域可取為［－2，2］，取比例因子k為1，則模糊論域?yàn)椋郏?，2］。隸屬函數(shù)的分布如圖9所示。

圖7 自然對流升溫曲線圖Fig.7 Natural convection heating curve

圖8 局部溫度曲線擬合圖Fig.8 Local temperature curve fitting

圖9 e c論域模糊子集分布圖Fig.9 Subset field distribution of e c

4.3 輸出量u的確定及模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸出控制量為PWM信號，通過改變信號的占空比，可調(diào)節(jié)散熱水泵的功率，當(dāng)占空比低于15% 時，水泵不能正常工作。同時，當(dāng)水泵關(guān)閉狀態(tài)下開啟燈具時，靠近基板的水溫迅速上升，導(dǎo)致水的熱密度分布不均，容易造成系統(tǒng)誤判的，所以為了維持水溫均衡，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定輸出PWM信號占空比論域?yàn)椋?0，70］，取比例系數(shù)為1，則模糊論域?yàn)椋?0，70］。取輸出量語言變量為U，語言值為｛極 小 （VB），小 （S），正 中 （M），大 （B），極 大（VB）｝，對應(yīng)的隸屬函數(shù)分布如圖9所示。

圖10 u論域模糊子集分布圖Fig.10 Subset field distribution of u

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立20條模糊規(guī)則：如果E為Ai且EC為Bi，則U為Ci。輸出U的模糊推理規(guī)則表如表1所示。

表1 溫度控制模糊規(guī)則表Table 1 Temperature control table of fuzzy rules

4.4 模糊推理及去模糊化

實(shí)際輸入量為e和ec，根據(jù)各自隸屬度函數(shù)，可得出各自的隸屬度。然后根據(jù)公式（5），首先判斷每一條推理關(guān)系，然后根據(jù)每一條推理關(guān)系獲得的U1、U2……U20進(jìn)行析出運(yùn)算，最終獲得隸屬度結(jié)果圖。

根據(jù)獲得的隸屬度結(jié)果圖，選取合適的方法進(jìn)行去模糊化運(yùn)算，本設(shè)計(jì)采用最大隸屬度法，根據(jù)最大隸屬度，獲取最終精確解。

5 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)中的射流水冷散熱器如圖11所示，4片大功率LED貼裝在射流水冷散熱器上，在射流散熱器表面開微槽，將熱電偶放置于LED基板下面。

圖11 LED芯片實(shí)際安裝圖Fig.11 LED chip actual installation drawing

實(shí)際系統(tǒng)圖如圖12所示，兩路熱電偶將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給控制器，控制器根據(jù)采集到的溫度信號進(jìn)行模糊推理后輸出控制信號，調(diào)節(jié)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。為便于采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀測控制效果，控制器每隔2s將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線發(fā)送給計(jì)算機(jī)，可通過計(jì)算機(jī)觀測溫度變化曲線。

圖12 實(shí)際控制系統(tǒng)圖Fig.12 Actual control system diagram

圖13 控制器實(shí)際控制效果圖Fig.13 Actual control effect of controller

設(shè)定風(fēng)扇開啟溫度為30℃，且控制信號占空比恒定為30%。具體程序編寫完成后，進(jìn)行控制器驗(yàn)證。最終得到實(shí)際控制效果圖如圖13所示，由圖可知經(jīng)過4 000s后基板溫度趨于穩(wěn)定，最終保持在35.5℃～36.5℃之間，保證了基板溫度的基本恒定?？刂破魍ㄟ^自動調(diào)節(jié)水泵工作功率，不必使水泵保持全功率輸出，減少了散熱系統(tǒng)部分能量消耗。

6 結(jié)論

利用LED熱阻模型推算出了基板溫度公式，得出結(jié)溫在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)條件下，基板的溫度。基于大功率LED射流水冷散熱系統(tǒng)，對60 W大功率LED設(shè)計(jì)了一種模糊控制器，通過實(shí)驗(yàn)對控制器特性進(jìn)行了研究，得出控制器具有良好的溫度跟蹤特性，能保證LED工作在最優(yōu)結(jié)溫區(qū)間內(nèi)，為大功率LED水冷散熱控制器設(shè)計(jì)提供了一種有效方案，為LED燈具控制器設(shè)計(jì)提供了有益的指導(dǎo)。

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