——LED散熱將不再是問(wèn)題

作者： 秦彪              深圳市秦博核芯科技開發(fā)公司

本文簡(jiǎn)述了LED燈散熱行業(yè)內(nèi)問(wèn)題，提出便于實(shí)現(xiàn)LED燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方案，將散熱片劃歸為燈具中的部件，由LED芯和導(dǎo)熱芯構(gòu)成的燈芯，設(shè)計(jì)成系列標(biāo)準(zhǔn)，采用圓錐柱面導(dǎo)熱芯，有效解決燈芯（導(dǎo)熱芯）與散熱片（燈具）之間的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，并認(rèn)為恒流驅(qū)動(dòng)電源更合理。針對(duì)散熱片自然對(duì)流傳熱，本文提出了采用對(duì)流罩，利用煙囪效應(yīng)，強(qiáng)化提高散熱，并簡(jiǎn)述了優(yōu)化理念。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)得出，每瓦散熱用鋁不到4克的顯著結(jié)果，LED燈散熱將不再是問(wèn)題。


由散熱說(shuō)開去

LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長(zhǎng)壽命，而被公認(rèn)為下一帶照明技術(shù)，將取代現(xiàn)有的各種照明技術(shù)。LED為冷光源，怕熱，有80%之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須有散熱措施，雖然LED發(fā)光技術(shù)已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光達(dá)200lm的報(bào)道，但LED散熱卻是LED照明中非常頭痛，但又還沒得到有效解決的問(wèn)題。

阻礙LED照明應(yīng)用普及的較大問(wèn)題是LED燈價(jià)格高，雖然上游的LED晶片廠商瓜分絕大部分利潤(rùn)，有大幅度降價(jià)空間，但要實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)資源有效配置到LED照明整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，有效降低造價(jià)，便于普通民眾購(gòu)買安裝，LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化是必經(jīng)之路，就像現(xiàn)有照明燈（白熾燈、日光燈/節(jié)能燈）那樣。LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化的阻礙就是散熱問(wèn)題的存在。

人類對(duì)傳熱的研究已有上百年的歷史，傳熱學(xué)及技術(shù)是非常之成熟，但在電子行業(yè)內(nèi)，電子器件（尤其是芯片）散熱問(wèn)題倍受重視，也就是近不到十年的歷史。人類成熟的傳熱知識(shí)沒有移植到電子行業(yè)內(nèi)，而是另起爐灶，創(chuàng)造出不少新名詞：“主動(dòng)散熱”、“被動(dòng)散熱”、“熱沉”聽起來(lái)不知是什么意識(shí)，英文“sink” 在傳熱學(xué)及技術(shù)中也是非常罕見的名詞。

LED散熱只涉及到傳熱學(xué)中非常小的部分—導(dǎo)熱傳熱和對(duì)流傳熱（主要是空氣自然對(duì)流傳熱），是非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題，其中導(dǎo)熱傳熱就可利用現(xiàn)有的傳熱計(jì)算軟件，得到非常準(zhǔn)確的解，但對(duì)于對(duì)流傳熱，必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究。而用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，只有學(xué)術(shù)上的意義，對(duì)于在工程技術(shù)上就沒有意義，因?yàn)檎`差太大。

由于業(yè)內(nèi)對(duì)LED散熱整個(gè)傳熱過(guò)程沒有一個(gè)非常清晰的研究，分析從LED結(jié)點(diǎn)到空氣與散熱片表面的對(duì)流（自然）傳熱，每個(gè)過(guò)程中傳熱溫差（即熱阻）所占的比例，以及影響每個(gè)傳熱過(guò)程的因素，而這些研究成果還必須被結(jié)構(gòu)工程師所熟知。因而目前的LED照明燈結(jié)構(gòu)千姿百態(tài)，采用的散熱技術(shù)種類繁多，甚有提出采用回流式熱管，像似殺雞舉起了宰牛刀，還有一臺(tái)灣公司發(fā)明有«液態(tài)沈浸散熱技術(shù)»，這種缺乏基本對(duì)流傳熱知識(shí)的發(fā)明，竟還獲得國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)。

本文將提出實(shí)現(xiàn)LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方案，還包括有散熱片的強(qiáng)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，造價(jià)低，是一條有效解決LED散熱問(wèn)題的科學(xué)之路。不僅使LED照明燈模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化得以實(shí)現(xiàn)，而且散熱成本顯著降低，可實(shí)現(xiàn)散熱用鋁不到4克的水平，以后將不用再考慮散熱所占的成本。總之LED散熱并不難，將不是問(wèn)題。

（本文不涉及LED封裝內(nèi)的傳熱，這將在以后的文章中闡述并提出有效的解決方案。）


模塊的科學(xué)劃分

 圖1、2分別為東芝與夏普推出的LED照明燈，將LED芯片、散熱片以及驅(qū)動(dòng)電源合為一體，采用現(xiàn)白熾燈一樣的安裝接口，這樣的結(jié)構(gòu)市面上非常多，雖然這樣的設(shè)計(jì)便于普通民眾安裝，替換現(xiàn)白熾燈泡，但有一致命的缺陷——散熱不可靠。

將圖1、2所示的LED燈，橫置、豎立或倒立，三種姿態(tài)情況下的散熱效果都不一樣，如果加有燈罩，其散熱效果與燈罩的形狀、大小密切相關(guān)，如果燈罩封閉，或內(nèi)外空氣流通性差，其散熱效果將惡化，光衰將立即表現(xiàn)出，甚至馬上出現(xiàn)損毀情況。因而這類LED燈，將不是LED照明發(fā)展方向。另外，圖1、2所示散熱片本身的結(jié)構(gòu)形式并不理想，散熱成本也不低。

球形白熾燈泡，直管式日光燈是由于此形狀便于生產(chǎn)制造，而被采用。歷史的積淀使得人們一提到照明燈，馬上想到球形燈泡和直燈管。人們使用燈，目的是需要光明。LED是新型光源，因而LED照明燈的設(shè)計(jì)，應(yīng)該從LED光源的特性出發(fā)，建立起新的模式。

圖3為本文提出的LED照明燈模塊劃分：燈芯包括有LED芯、導(dǎo)熱芯以及燈芯罩，散熱片被劃歸到燈具中的部件，電源也屬于燈具中的部件。

這樣的模塊劃分的科學(xué)之處在于：

一、散熱穩(wěn)定可靠；

二、容易實(shí)現(xiàn)LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化，完善整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，降低造價(jià)。

燈芯設(shè)計(jì)制造成系列標(biāo)準(zhǔn)部件，以標(biāo)準(zhǔn)散熱功率劃分出不同規(guī)格接口，如：3W、6W、10W、12W、16W等，對(duì)應(yīng)著不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)接口，標(biāo)準(zhǔn)散熱功率不一定與LED芯的功耗相等，這與LED芯內(nèi)封裝有關(guān)。燈具則千姿百態(tài)，但其標(biāo)準(zhǔn)散熱量必須達(dá)到規(guī)定的值，燈具將按其標(biāo)準(zhǔn)散熱量劃分，其接口與燈芯接口相對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)可以這樣，10W（標(biāo)準(zhǔn)散熱功率）的燈芯可以安裝到12W的燈具上，但12W的燈芯則不能安裝到10W的燈具上，這都可以通過(guò)接口中的結(jié)構(gòu)差異來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于每種燈具有其相應(yīng)的固定安裝形式，其散熱性能也就穩(wěn)定，因而不用擔(dān)心用戶安裝時(shí)，改變其散熱性能，即散熱穩(wěn)定可靠。這樣的模塊劃分，使得燈具和燈芯的散熱熱阻以及導(dǎo)熱熱阻檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)操作制定更為容易，燈具只要實(shí)驗(yàn)測(cè)定出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)熱芯的散熱性能曲線，計(jì)算出散熱熱阻，燈芯只要實(shí)驗(yàn)測(cè)定出，LED結(jié)點(diǎn)溫度與一標(biāo)準(zhǔn)散熱片上的溫度差，計(jì)算出燈芯的導(dǎo)熱熱阻即可。

燈具廠商將專心地根據(jù)不同需求，設(shè)計(jì)制造出各種各樣的燈具；燈芯廠商專心芯片封裝，制造燈芯，以降低成本提高生產(chǎn)效率，降低芯片內(nèi)封裝熱阻為目標(biāo)；晶片廠商專心晶片的研發(fā)，生產(chǎn)，更多的投入到如何降低成本，提高發(fā)光效率；電源廠商專注電源，專用驅(qū)動(dòng)芯片的開發(fā)。通過(guò)制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包括：燈芯與散熱片（燈具）的機(jī)械接口標(biāo)準(zhǔn)和電的接口標(biāo)準(zhǔn)，以及電源標(biāo)準(zhǔn)，將各部件廠商有機(jī)地聯(lián)合在一起，形成一完善的產(chǎn)業(yè)鏈，社會(huì)資源將被合理配置到各個(gè)鏈中，LED照明燈價(jià)格將顯著降低，LED照明燈普及將近在眼前。

燈芯與燈具的電的連接，是件容易的事，但燈芯與散熱片的熱連接（熱傳導(dǎo)），就不是那么容易的事。圖3示出了解決該問(wèn)題有效而又簡(jiǎn)單的技術(shù)方案：采用圓錐柱接觸傳熱面。園錐柱和圓錐孔，加工容易，精度易保證，加工成本低。采用圓錐柱作為接觸傳熱面的顯著優(yōu)點(diǎn)是保證導(dǎo)熱芯和散熱片兩接觸面之間的接觸壓力足夠大：只要小的軸向力，就可得到被放大數(shù)倍的接觸壓力，因而燈芯和散熱片之間傳熱熱阻得到有效控制，即兩者之間的熱傳導(dǎo)問(wèn)題得到解決。以下計(jì)算例子進(jìn)一步說(shuō)明了這一點(diǎn)：

例如，導(dǎo)熱芯中間直徑Ф=20mm，高h(yuǎn)=15mm，與散熱片的錐孔面平均間隙△=0.03mm,采用普通導(dǎo)熱膏λ=1.0W/m·K，燈芯功率為Q=12W，可計(jì)算得出導(dǎo)熱芯與散熱片根的平均溫度差：

△t=Q·△/λ·D·л·h=0.38℃，不到0.4℃。

圖3中示出，燈芯與散熱片（燈具）的機(jī)械連接采用螺扣，電的連接采用同心接插頭式，普通操作者，不需任何工具，就可方便地將燈芯正確安裝到位。圖3所示結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，加工制造容易，造價(jià)也就低。圖3中的燈芯罩的作用：1、保護(hù)LED芯；2、便于操作者安裝；3、二次光學(xué)，設(shè)計(jì)制造出不同光輸燈罩，比如聚光型或散光型，滿足不同場(chǎng)所及應(yīng)用。

關(guān)于電源標(biāo)準(zhǔn)：

本文認(rèn)為應(yīng)選用恒流驅(qū)動(dòng)，燈芯中LED芯片采用串聯(lián)式（局部有并聯(lián)），如圖4所示，每個(gè)LED芯片（或并聯(lián)組）設(shè)有旁路保護(hù)元件，該元件的作用，一旦所配的LED芯片損壞，成斷開路狀態(tài)，則由于電壓過(guò)高（比如兩倍于LED較高電壓），該元件擊穿，形成永久性短路，使得不因一兩個(gè)LED芯片損壞，而使整個(gè)燈芯報(bào)廢。比如一個(gè)12W的LED燈，共有12顆LED芯片，如果有兩顆損壞，光亮度有下降，則而通電流調(diào)節(jié)端子，調(diào)大電流，補(bǔ)償降低的亮度。因而燈的可靠性高。

采用恒流驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)點(diǎn)還有：

一、更容易實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電源，比如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的恒流電流定為350mA。15W的燈芯，額定電壓也就是43V。芯片的額定電流與LED芯片中的晶片面積有關(guān)，容易調(diào)整設(shè)計(jì)出滿足統(tǒng)一額定電流標(biāo)準(zhǔn)的晶片。另外，還可以通過(guò)局部芯片并聯(lián)，比如兩三顆LED芯片并聯(lián)，達(dá)到統(tǒng)一額定電流（如350mA）；

二、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、元器件少、成本低，電源效率高。由于工作電流低（350mA），開關(guān)功率管BG的開關(guān)損耗也就小，則電源效率高；采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)恒流（350mA），可將開關(guān)功率管BG都集成到驅(qū)動(dòng)IC中（如圖4中虛線所示），并且額定功率范圍大，從1W到70W（市電為AC220V）范圍工作。輸出功率越大（LED芯串聯(lián)越多），電源的輸出工作電壓也高，因而開關(guān)功率管BG承受的開關(guān)電壓就越小，開關(guān)損耗也就越小，電源的效率也就更高。


散熱片的優(yōu)化及強(qiáng)化

散熱過(guò)程較終是熱量傳到空氣中，由空氣流動(dòng)（對(duì)流）將熱量帶走，空氣流動(dòng)（對(duì)流）在散熱過(guò)程中非常重要，空氣流量越大，能帶走的熱量（即散熱量）越大。將散熱片上下豎立設(shè)置，肋片豎立，使自然對(duì)流空氣由下至上流動(dòng)，穿過(guò)肋片，空氣流動(dòng)阻力小，有利于散熱量提高。

自然對(duì)流傳熱過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力是：空氣受熱溫度升高，比重下降而產(chǎn)生的浮力，浮力與體積以及空氣的溫差（散熱片中的空氣溫度與環(huán)境空氣溫度之差）成正比，也就是說(shuō)散熱片中的空氣溫度越高，浮力越大，空氣自然對(duì)流量也就越大。但是散熱肋片