大功率LED散热可采用的主动冷却方案

大功率LED散热可采用的主动冷却方案

       众所周知，LED的优点之一是拥有很高的光电转换效率，与传统光源相比有很大的提升，但由于受到目前技术发展的限制，效率大概还是只有15-20%，这意味着多达80-85%的电能还是转换成了热量。因此，散热问题一直是LED照明面临的重要挑战。

       清华大学退休教授、美国PAM公司顾问茅于海认为，LED散热面临的主要挑战还是大功率路灯，以及体育场和球场高亮度灯的散热。因为功率大，所需散的热量也大，而且在露天面临各种炎热暴晒天气，增加了散热的难度。剧场的高亮度聚光灯也是难点之一。另外，高功率PAR38灯由于体积小、功率大，要求无电磁干扰也增加了散热的难度。

       LED散热解决方案的种类多种多样，主要包括铝散热鳍片、导热塑料壳、风扇、导热管、表面辐射散热处理等。其中，散热片和高速风扇是目前最常见的处理方式。不过，随着照明应用对于光输出的要求不断提高，LED产品的热流密度不断增加，单位时间内需要冷却的热量也越来越大，因此，Nuventix亚太区技术支持负责人金海林指出，目前最大的挑战就是如何降低不断增加的热流密度。

       新兴的压电陶瓷风扇、无扇叶风扇等先进技术拥有较强散热能力，但对于LED照明这种小空间内的应用，从尺寸体积、耗电、成本、结构、可规模化量产性等方面综合考虑，并不适用。

       金海林分析，由于被动散热器受制于有限的换热能力，单位时间内能带走的热量很有限，使得用来冷却大功率LED模组的散热器不得不做得很大很重。而主动散热（如SynJet散热方案）可以克服这些缺点，通过强制对流换热的高效散热能力快速带走热量，降低LED芯片的温度，并且同时减小了散热器的体积及重量，更好地满足照明设计小型化的要求。

       Nuventix于2007年正式量产基于Synthetic Jet原理制造的SynJet(合成喷气)产品，利用通过高频振荡所产生的高湍流度高动量气流，因而可以做到高达10万小时的寿命保障，并具有低噪音、低功耗、耐高温、防雨、防尘、抗振动冲击、无摩擦运动部件、易于应用等特点。金海林表示，SynJet技术是最近二十年来散热领域具有突破性和最具创新性的技术，已经被广泛应用在包括家乐福超市等大型场所。据悉，在高功率PAR38灯中就采用了SynJet解决来散热问题。

34W聚光灯中的散热器

       与其他的热电供应商不同，Laird公司不仅制造其自身的模块，而且将其产品与内部设计、装配和制造专业知识相结合。凭借其在电磁干扰(EMI)屏蔽领域的技术优势，Laird提出了一种可以和防电磁干扰相结合的散热器方案，这种方法对于LED恒流驱动开关电源的散热和防辐射很有用。

       Nextreme公司则主要开发了一种薄膜半导体制冷技术，只要在N型半导体和P型半导体之间通上电，就可以把热从一端移至另一端。这是一种具有超高效率的光学芯片冷却模式，基于该技术，Nextreme推出了名为光学冷却器（Optocooler）的HV14模块。这种模块可以在3mm2见方的极小面积上耗散1.5W的热，而只需要2.7V的电源，两边的温差可高达60度。

       压电散热板作为很有效的新型散热器也正式登上舞台。茅于海介绍，它利用压电晶体使得散热板振动，从而提高了散热板的散热效率。其散热效果相当于风扇，但是耗电却要小很多。

       如图所示，自然对流风冷的热阻为7.2°C/W，而采用风扇强制风冷可降低至2.3°C/W，但要消耗0.85W。如果采用压电散热板，其热阻也可以降低至2.3°C/W，但只消耗0.05W，而且其噪声也没有风扇高。不过，使用压电散热板的缺点是成本比一般鳍片散热器要贵不少。

       茅于海表示，对于超大功率的高亮度LED灯，有必要采用相变水冷却(不是热管，热管只能导热而不能散热)，利用水变成蒸汽要吸收大量热的方法来进行散热。不过，该过程需要消耗一定的水。

       此外，还有一种新颖的LED芯片封装技术，称为铝散热器上的芯片(chip on Al heat sink)。这种技术把LED芯片直接安装到铝散热器上，从而减少了一层热阻。

       LED散热基板逐渐成为一个新的市场。因此，有相关公司在高功率散热基板研发上投入了较大的人力与物力，并取得了很大进展，一些公司的高功率散热基板已经进入批量生产，如美国贝格斯（Bergquist）、Laird、日本电气化学（DENKA）等。

       实际上，要彻底解决LED的散热问题就是要它产生越小的热量越好。现在的LED发光效率大约在100-130lm/W，大约只有20%的电能转化为光能，其余80%全部转化为热能。据估计，到2020年，LED的发光效率可以提高到240lm/W，比现在提高一倍有余，届时LED所产生的热量比现在减少一倍多，大约只有30%的电能转化为热能。 “那时候，散热器的设计就要简单很多了。”茅于海表示。