LED燈具的散熱問題

　　LED提供了令人振奮的設計機會 ，一切有關於此的議論時常被這樣幾個字阻礙 ：熱管理 。“當白熾燈泡可以通過輻射消耗熱量 ，LED卻幾乎不產生紅外熱量 。”普瑞技術營銷總監Michael Gershowitz說 。因此 ，LED必須通過熱傳導進行散熱 ，否則就有如下風險 ：亮度 、壽命 、以及顏色穩定性的表現將會減弱 。

　　但是時間和市場需求總有辦法將技術推進到這樣一個節點 ，即熱管理會很快成為燈具設計中後期的考慮 ，而不是障礙 。隨著LED不斷迭代 ，光效也持續呈指數級增長 ，現今LED效率已超過50% ，即 ：他們將能量轉化成光比熱量更多 。多數OEM廠商已拋棄原有使用LED簡單替換傳統燈具的做法 ，轉而根據LED光源特點生產特製並優化過的燈具 。並且如今LED可以“在更高溫度下工作更長時間 ，且亮度不會衰減 。”Acuity Brands Lighting室內新產品開發及技術總監Mark Hand這樣表示 。

　　LED技術及燈具設計的進步 ，製造商值得誇耀的事情可不止於此 。熱管理策略也一直在進步並蓬勃發展 。盡管被動散熱和主動散熱仍是主要選擇 ，但其他的創新技術也在加入其中 。

　　被動散熱

　　超過90%的LED燈具采用被動散熱 。在此策略下 ，LED封裝件的熱量經由高導熱性材質散熱器以直接的物理接觸方式傳導出去 。“鋁材——通常是經擠壓或者壓鑄成為帶鰭片的圓形——由於其質輕 ，價廉及易製性 ，是用作散熱器的標準材料 。”Xicato戰略夥伴經理Christopher Reed說 。目前 ，製造商們因其可靠性更親睞被動散熱器 。“即便不是完全一樣 ，他們50000小時或者20年後的表現和第一天也是相去不遠的 。”Reed說 。

　　圖 ：被動散熱——鰭片散熱器(來源 ：baidu)

　　但是哪怕是一個經過檢驗並證實可靠的解決方案也可以得到改善 。在設計師們通過巧妙處理鰭片厚度及間距優化散熱器的同時 ，被動散熱策略也發展出一種新的形式——鰭柱散熱器 。不同於擠壓型葉片的是 ，鰭柱散熱器類似於倒置的圓桌上裝著大量的桌腿 ，而LED器件就貼在這個桌子表麵 。

　　圖 ：被動散熱——鰭柱散熱器(來源 ：baidu)

　　Reed表示 ，柱狀鰭片使得加熱的空氣上升然後繞著鰭柱不受阻礙地流出 。在一些可旋轉的燈具上這一特質具有優勢 ，比如軌道燈 。“當你將一個標準的擠壓成型的鰭片散熱器傾斜時 ，空氣無法在同一個方向或者重力軸上流動 ，因為它總是要進入到鰭片中去 。”Reed說 。

　　照明廠商也開始將燈體變成一體化的散熱解決方案 。采用這種策略 ，安裝在隔熱天花係統中的燈具邊圈既可以起到修飾作用 ，又可以散熱 。同理 ，CREE Aeroblades係列路燈那些雕刻般的鰭片所起的作用 ，可不是“花瓶”那麽簡單 。

　　圖 ：CREE Aeroblades係列路燈(來源 ：CREE官網)

　　“隨著LED變得越來越高效 ，所要求的散熱器的體積和重量也越來越小 。”CREE應用工程副總裁 Mark McClear表示 。隨之 ，材料及運輸成本也會降低 。“當LED變得越來越高效 ，一切都朝著正確的方向在發展 。”McClear說 。

　　主動散熱

　　被動熱管理的便利性經常被散熱器的笨重所困擾 。這種體積對於小型燈具會是問題 ，對於密封的戶外燈具而言也不合適 ，並且對於高光通筒燈也不可行 。主動散熱依靠強製循環空氣 ，而不是自然對流 ，“使之在一個小得多的空間內散發更多的熱量 ，”Hand如是說 。

　　主動散熱本身要求使用更多的活動部件 ，增加成本 ，所以被OEM廠商接受的進度比較慢 。但是 ，最新的進展使得主動散熱方案變得更加高效且可靠 。

　　甚至實際上的主動散熱方案——風扇——也已取得很大的進步 。據Xicato的Reed解釋稱 ，長期以來的配置方案是要麽使用滑動軸承——典型的由塑料或高分子聚合物材質構成 ，且易受灰塵集聚及時間的影響——要麽就是更加耐用的金屬滾珠軸承係統 。

　　圖 ：某產品采用風扇主動散熱和無風扇時的熱分布對比(來源 ：baidu)

　　為了消除風扇軸承與傳動軸之間的摩擦 ，位於加利福利亞州Brea的散熱設計公司Sunon引入了磁懸浮技術 。為了對付灰塵集聚 ，這家公司還開發了一個雙向回轉技術 ，即機器在運轉的最初幾秒鍾風扇反轉 ，“以脫除扇葉上的灰塵” ，Reed說 。

　　噪音是主動散熱招致抱怨的另一緣由 。比如 ，在裝有軌道燈的房間裏 ，平均每個燈具的音量在15-30分貝 ，主動散熱帶來的噪音非常明顯 。“聽上去像一個蜂箱，”Reed說 。位於康涅狄格州Farmington的Ebm-Papst公司提供一種運行時隻有7分貝的風扇 ，這是Reed迄今所見最為安靜的風扇產品 。

　　針對那些對風扇仍有所懷疑的製造商 ，位於德州Austin的Nuventix提供一種脈衝矽膜技術 ，此技術可將來自LED的空氣排至散熱器 ，進而 ，散熱器體積可減小到獨立的被動散熱方案的三分之一 。合成射流技術 ，或叫SynJet ，“沒有任何旋轉或摩擦部件 。”Nuventix市場營銷高級副總裁Tom Dalton說 。取而代之的是 ，它使用LED驅動供電使得薄膜每秒顫動50次——他估計耗電約為0.35-1W——這些絕熱脈衝產生湍氣流形成一種更好的對流散熱方式 ，這要比由風扇產生的層狀氣流更佳 。Reed說 。這項技術 ，SynJet可以保用5年 ，可使矽膜擴展到超出極限10% ，Nuventix的Dalton說 。

　　盡管一些廠商對於主動散熱上的活動部件仍有憂慮 ，但大多數都認同主動散熱比被動散熱更高效 。“散熱越多並且悄無聲息 ，情況就會越好 。”Gershowitz說道 。

　　混合散熱管

　　熱管技術 ，是電腦采用的成熟散熱機製 ，結合了主動與被動散熱方案這二者的特性 ，也引起了OEM廠商及照明製造商的興趣 。本質上 ，熱管是由密封金屬管 ，內部填充導熱液體構成 ，它將熱量從LED處帶走並送往遠程的散熱係統 。盡管由於熱源與散熱器距離的加大 ，該係統的效力會減弱 ，熱管仍然使得整體部件與眾不同 。“這種分離是一個絕好的設計機會 。”Gershowitz說道 。例如 ，緊湊型吊裝燈具內的熱管可將熱量傳輸到一個具有創意的天花頂棚 。“設計師們可以想出一些非常吸引人的方案 。”他說 。

　　圖 ：熱管技術

　　FrigoDynamics公司已經將一些新的技巧應用到這個技術裏麵 。這家德國公司創造了一種有效的混合散熱技術 ，他們將熱管穿過經策略性幾何塑形的被動散熱器金屬葉片裏 ，從而使得散熱最大化 。“熱管是將熱量從散熱器一麵排到另一麵的要素 。”Reed說 。“這在排出熱量上非常高效 ，並且散熱器上下都能獲得非常均勻恒定的溫度 。”

　　光明的未來

　　尚未在實踐中證明可大展身手的技術 ，也吸引了來自一些好奇廠商的興趣 。Sandia Corp.一直長期致力於Sandia散熱器的開發 ，這是一種單片金屬風扇 ，依靠氣浮軸承旋轉 ，從而消除了物理軸承失效的潛在可能性 。

　　如果不談及散熱介質材料 ，關於熱管理策略方麵的討論是不全麵的 ，那是填充在LED金屬背板和其散熱器之間微小空隙裏的物質 。選擇何種導熱襯墊材料填充在空氣間隙裏 ，對於LED熱量傳輸是至關重要的 。相變材料是一種貌似合理 ，有效且無論塑料還是金屬散熱基板都可以選擇的材料 ，Gershowitz如是說 。

　　Cambridge Nanatherm也專注於這些微觀層麵的複雜難題 。這家英國公司最近推出了一種納米陶瓷介電層 ，供LED PCB板使用 ，導熱係數為7W/mK 。MBPCBs通常使用環氧樹脂填充物 ，其導熱係數在1-3W/mK之間 。Nanotherm稱 ，他們的MBPCBs從LED芯片導出熱量的效率比市場上的鋁基PCB高20% 。

　　除了熱管理策略的進步之外 ，隨著LED效率上升的速度——CREE的McClear預計到2020年將達到65%——LED散熱將不再是燈具設計上的問題 。Acuity的Mark Hand預測 ：低功率LED會戰略性分布地轉向自身散熱，甚至不再需要專門的熱管理策略 。“在標尺的最頂端 ，人們會嚐試並從更小的空間獲得更高流明 ，他們將會開始關注導熱性高分子聚合物 。”這個可以注塑成多元化的LED套件 ，他表示 。

　　普瑞的Gershowitz認為 ，即使LED效率取得進展 ，熱管理仍需適當保留 。“每前進一步……都不是為了降低功率或降低散熱方案 ，OEM廠商會使用相同的散熱方案 ，但是卻使用更大的光源 。”好消息是 ：熱管理發展的速度 ，將允許OEM廠商及照明製造商將固態照明擴大到更多市場 ，絲毫不需擔心會燒掉 。