LED照明燈模塊標準化的科學之路

2011年07月05日10:36:01 本網站我要評論(2)字號：T | T | T

——LED散熱將不再是問題

作者：秦彪深圳市秦博核芯科技開發公司

本文簡述了LED燈散熱行業內問題，提出便于實現LED燈模塊標準化的技術方案，將散熱片劃歸為燈具中的部件，由LED芯和導熱芯構成的燈芯，設計成系列標準，采用圓錐柱面導熱芯，有效解決燈芯（導熱芯）與散熱片（燈具）之間的熱傳導問題，并認為恒流驅動電源更合理。針對散熱片自然對流傳熱，本文提出了采用對流罩，利用煙囪效應，強化提高散熱，并簡述了優化理念。經大量實驗得出，每瓦散熱用鋁不到4克的顯著結果，LED燈散熱將不再是問題。

由散熱說開去

LED照明由于其節電、環保、長壽命，而被公認為下一帶照明技術，將取代現有的各種照明技術。LED為冷光源，怕熱，有80%之多的電能轉化為熱能，必須有散熱措施，雖然LED發光技術已有飛躍發展，有每瓦發光達200lm的報道，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題。

阻礙LED照明應用普及的較大問題是LED燈價格高，雖然上游的LED晶片廠商瓜分絕大部分利潤，有大幅度降價空間，但要實現整個社會資源有效配置到LED照明整個產業鏈中，有效降低造價，便于普通民眾購買安裝，LED照明燈的模塊標準化是必經之路，就像現有照明燈（白熾燈、日光燈/節能燈）那樣。LED照明燈模塊標準化的阻礙就是散熱問題的存在。

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

LED散熱只涉及到傳熱學中非常小的部分—導熱傳熱和對流傳熱（主要是空氣自然對流傳熱），是非常簡單的問題，其中導熱傳熱就可利用現有的傳熱計算軟件，得到非常準確的解，但對于對流傳熱，必須通過大量的實驗研究。而用計算機軟件計算，只有學術上的意義，對于在工程技術上就沒有意義，因為誤差太大。

由于業內對LED散熱整個傳熱過程沒有一個非常清晰的研究，分析從LED結點到空氣與散熱片表面的對流（自然）傳熱，每個過程中傳熱溫差（即熱阻）所占的比例，以及影響每個傳熱過程的因素，而這些研究成果還必須被結構工程師所熟知。因而目前的LED照明燈結構千姿百態，采用的散熱技術種類繁多，甚有提出采用回流式熱管，像似殺雞舉起了宰牛刀，還有一臺灣公司發明有«液態沈浸散熱技術»，這種缺乏基本對流傳熱知識的發明，竟還獲得國際發明展金獎。

本文將提出實現LED照明燈模塊標準化技術方案，還包括有散熱片的強化和優化設計，結構非常簡單，造價低，是一條有效解決LED散熱問題的科學之路。不僅使LED照明燈模塊化、標準化得以實現，而且散熱成本顯著降低，可實現散熱用鋁不到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，將不是問題。

（本文不涉及LED封裝內的傳熱，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、散熱片以及驅動電源合為一體，采用現白熾燈一樣的安裝接口，這樣的結構市面上非常多，雖然這樣的設計便于普通民眾安裝，替換現白熾燈泡，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，如果燈罩封閉，或內外空氣流通性差，其散熱效果將惡化，光衰將立即表現出，甚至馬上出現損毀情況。因而這類LED燈，將不是LED照明發展方向。另外，圖1、2所示散熱片本身的結構形式并不理想，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照明燈的設計，應該從LED光源的特性出發，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之處在于：

一、散熱穩定可靠；

二、容易實現LED照明燈的模塊標準化，完善整個產業鏈，降低造價。

燈芯設計制造成系列標準部件，以標準散熱功率劃分出不同規格接口，如：3W、6W、10W、12W、16W等，對應著不同規格的標準接口，標準散熱功率不一定與LED芯的功耗相等，這與LED芯內封裝有關。燈具則千姿百態，但其標準散熱量必須達到規定的值，燈具將按其標準散熱量劃分，其接口與燈芯接口相對應。設計時可以這樣，10W（標準散熱功率）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，這都可以通過接口中的結構差異來實現。由于每種燈具有其相應的固定安裝形式，其散熱性能也就穩定，因而不用擔心用戶安裝時，改變其散熱性能，即散熱穩定可靠。這樣的模塊劃分，使得燈具和燈芯的散熱熱阻以及導熱熱阻檢測標準以及實驗操作制定更為容易，燈具只要實驗測定出相對標準的導熱芯的散熱性能曲線，計算出散熱熱阻，燈芯只要實驗測定出，LED結點溫度與一標準散熱片上的溫度差，計算出燈芯的導熱熱阻即可。

燈具廠商將專心地根據不同需求，設計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效率，降低芯片內封裝熱阻為目標；晶片廠商專心晶片的研發，生產，更多的投入到如何降低成本，提高發光效率；電源廠商專注電源，專用驅動芯片的開發。通過制定統一的標準，該標準包括：燈芯與散熱片（燈具）的機械接口標準和電的接口標準，以及電源標準，將各部件廠商有機地聯合在一起，形成一完善的產業鏈，社會資源將被合理配置到各個鏈中，LED照明燈價格將顯著降低，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），就不是那么容易的事。圖3示出了解決該問題有效而又簡單的技術方案：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點是保證導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問題得到解決。以下計算例子進一步說明了這一點：

例如，導熱芯中間直徑Ф=20mm，高h=15mm，與散熱片的錐孔面平均間隙△=0.03mm,采用普通導熱膏λ=1.0W/m·K，燈芯功率為Q=12W，可計算得出導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所示結構非常簡單，加工制造容易，造價也就低。圖3中的燈芯罩的作用：1、保護LED芯；2、便于操作者安裝；3、二次光學，設計制造出不同光輸燈罩，比如聚光型或散光型，滿足不同場所及應用。

關于電源標準：

本文認為應選用恒流驅動，燈芯中LED芯片采用串聯式（局部有并聯），如圖4所示，每個LED芯片（或并聯組）設有旁路保護元件，該元件的作用，一旦所配的LED芯片損壞，成斷開路狀態，則由于電壓過高（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LED芯片損壞，而使整個燈芯報廢。比如一個12W的LED燈，共有12顆LED芯片，如果有兩顆損壞，光亮度有下降，則而通電流調節端子，調大電流，補償降低的亮度。因而燈的可靠性高。

采用恒流驅動電源的優點還有：

一、更容易實現統一標準的電源，比如規定標準統一的恒流電流定為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，容易調整設計出滿足統一額定電流標準的晶片。另外，還可以通過局部芯片并聯，比如兩三顆LED芯片并聯，達到統一額定電流（如350mA）；

二、驅動電路簡單、元器件少、成本低，電源效率高。由于工作電流低（350mA），開關功率管BG的開關損耗也就小，則電源效率高；采用統一標準恒流（350mA），可將開關功率管BG都集成到驅動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芯串聯越多），電源的輸出工作電壓也高，因而開關功率管BG承受的開關電壓就越小，開關損耗也就越小，電源的效率也就更高。

散熱片的優化及強化

散熱過程較終是熱量傳到空氣中，由空氣流動（對流）將熱量帶走，空氣流動（對流）在散熱過程中非常重要，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置，肋片豎立，使自然對流空氣由下至上流動，穿過肋片，空氣流動阻力小，有利于散熱量提高。

自然對流傳熱過程中，驅動空氣流動的動力是：空氣受熱溫度升高，比重下降而產生的浮力，浮力與體積以及空氣的溫差（散熱片中的空氣溫度與環境空氣溫度之差）成正比，也就是說散熱片中的空氣溫度越高，浮力越大，空氣自然對流量也就越大。但是散熱肋片

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