基于STM32的大功率LED阵列高精度制冷控制系统
2021年电子技术应用第9期
钱依凡，薛凌云，洪哲扬
杭州电子科技大学 自动化学院，浙江 杭州310018
摘要： LED结温动态严重影响其光学特性变化规律，针对大功率LED阵列散热需求，利用半导体制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)设计一套制冷控制系统。开关电源易产生较强电磁干扰，设计具有快响应时间、高稳定度特点的可编程线性电源驱动TEC稳定工作。针对常规线性PID对具有非线性特征的TEC制冷控制系统存在快速性和超调量难以兼得的问题，于STM32嵌入式实现模糊RBF神经网络PID控制，并用6×3 W大功率LED阵列进行测试，实验结果证明相比于常规线性PID控制，调节时间缩短，超调量减少，温度波动仅为±0.1 ℃，该系统在保持大功率LED阵列工作环境温度稳定的同时可提升其输出光效。
中圖分類號： TP273；TN364+.2；TB69
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211353
中文引用格式： 錢依凡，薛凌云，洪哲揚. 基于STM32的大功率LED陣列高精度制冷控制系統[J].電子技術應用，2021，47(9)：75-81.
英文引用格式： Qian Yifan，Xue Lingyun，Hong Zheyang. High-power LED array high-precision refrigeration control system based on STM32[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：75-81.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211353
中文引用格式： 錢依凡，薛凌云，洪哲揚. 基于STM32的大功率LED陣列高精度制冷控制系統[J].電子技術應用，2021，47(9)：75-81.
英文引用格式： Qian Yifan，Xue Lingyun，Hong Zheyang. High-power LED array high-precision refrigeration control system based on STM32[J]. Application of Electronic Technique，2021，47(9)：75-81.
High-power LED array high-precision refrigeration control system based on STM32
Qian Yifan，Xue Lingyun，Hong Zheyang
School of Automation，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China
Abstract： The dynamics of the LED junction temperature seriously affect the changing laws of its optical characteristics. Aiming at the heat dissipation requirements of high-power LED arrays, a refrigeration control system is designed using thermoelectric cooler.Switching power supplies are prone to strong electromagnetic interference, a programmable linear power supply with fast response time and high stability is designed to drive TEC to work stably.Aiming at the problem that conventional linear PID has difficulty in achieving both rapidity and overshoot for the TEC refrigeration control system with nonlinear characteristics, this system is embedded in STM32 to realize fuzzy RBF neural network PID control, uses 6×3 W high-power LED array for testing, the experiment results proved that compared with the conventional linear PID control, the TEC refrigeration control system has shortened the adjustment time, reduced the overshoot, and the temperature fluctuation is only ±0.1 ℃. The refrigeration control system can improve the output light efficiency while maintaining the stable working environment temperature of the high-power LED array.
Key words : STM32；high-power LED array；thermoelectric cooler；fuzzy RBF neural network PID
0 引言
LED以其小體積、高亮度、長壽命、節能環保、可DC供電與調光等優勢被廣泛應用于各種指示、顯示以及照明系統中。限于當前材料、封裝和工藝等技術水平，LED量子效率低，在工作過程中會產生大量的熱[1]。由多顆LED組成的大功率LED陣列不僅表現為單顆LED產熱嚴重且LED間相互耦合，其散熱問題更加突出。隨著LED研究與應用的深入，LED陣列中LED功率和集成度亦隨之增加，其單位面積上所產生的熱量愈來愈多，若非在重量和尺寸上指數增加，單純依靠被動散熱已無法及時散發大功率LED陣列熱量[2]，由此導致LED陣列熱沉溫升問題嚴重影響LED陣列的光學性能與可靠性，如發光效率降低、波長偏移、顏色偏移、壽命縮短等[3-5]，而良好的制冷控制不僅能保持LED陣列工作環境溫度的穩定，更能提高LED的發光效率。
半導體制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)結構簡單，具有熱慣性小、制冷速度快、體小質輕、易于調控、壽命長、無噪聲、無污染等優點，應用范圍廣泛且非常適合應用于微型制冷領域，如激光器、醫療器械和空間飛行器上的儀器設備冷卻等[6-7]。TEC驅動電源大致發展為開關電源和線性電源，開關電源具有轉換效率高的優點，但易產生較強的電磁干擾；線性電源的電磁干擾小，輸出電壓電流紋波小[8]，設計線性電源驅動TEC可使其工作更穩定。
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作者信息：
錢依凡，薛凌云，洪哲揚
(杭州電子科技大學 自動化學院，浙江 杭州310018)
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