LED散熱科學發(fā)展之路

秦彪

摘要：本文簡述了LED燈散熱行業(yè)內(nèi)問題，提出便于實現(xiàn)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(gòu)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。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(yōu)化理念。經(jīng)大量實驗得出，每瓦散熱用鋁不到4克的顯著結(jié)果，LED燈散熱將不再是問題。

關鍵詞：LED燈、散熱、模塊、標準。

一、引論

LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保、長壽命，而被公認為下一帶照明技術。但是，LED有70％之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能，必須散熱。雖然LED發(fā)光技術已有飛躍發(fā)展，有每瓦發(fā)光達200lm的報道，但LED散熱卻是LED照明中非常頭痛的問題，成了LED照明燈普及發(fā)展道路上的攔路虎。

阻礙LED照明應用普及的最大問題是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(xiàn)整個社會資源有效配置到LED照明整個產(chǎn)業(yè)鏈中，有效降低造價，LED照明燈的模塊標準化是必經(jīng)之路。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，傳熱學及技術已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被樹葉遮蓋，不被現(xiàn)在的人們看見，以致當電子行業(yè)，主要是計算機中的CPU發(fā)熱量突然大增時，人們沒有去撥開地面上的樹葉，撿起那些熟透的果子，將人類成熟的傳熱知識移植到電子行業(yè)內(nèi)。而是另起爐灶，創(chuàng)造出不少新名詞：“主動散熱”、“被動散熱”、熱沉”等聽起來不知是什么意思，英文“Sink”在傳熱學及技術中也是非常罕見的名詞。

從傳熱學和技術來談，LED散熱并非復雜，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)，其中導熱傳熱就可利用現(xiàn)成的傳熱計算機軟件，得到非常準確的解，比如分析LED封裝芯片內(nèi)的溫度分布(傳熱過程)；分析從LED芯片到散熱肋片的內(nèi)部溫度分布。但是應特別注意，對于對流傳熱，凡涉及到空氣流動，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，沒有實際工程意義，因為誤差太大。

導致LED散熱簡單問題被復雜化的原因有：知識斷層，擁有成熟的傳熱知識的人員參于到LED散熱研究的甚少，缺乏專業(yè)的LED散熱研究機構(gòu)，給行業(yè)內(nèi)明確正確的指導思想。目前行業(yè)內(nèi)從業(yè)的專業(yè)散熱技術人員，許多是從計算機散熱方面轉(zhuǎn)過來的，自然地將那方面常用的技術以及商業(yè)行為帶過來，比如，熱管技術，被大量應用到大功率LED照明燈(比如路燈)中，給那些原來為計算機芯片散熱器服務的熱管廠商創(chuàng)造了新的商機。甚至還有提出采用回流式熱管。

如果說LED燈散熱采用一般熱管像似殺雞用了殺豬刀，那么采用回流式熱管就像似殺雞舉起了宰牛刀。臺灣有一家公司發(fā)明有《液態(tài)沉浸散熱技術》，這種缺乏基本對流傳熱知識的發(fā)明，竟還獲得國際發(fā)明展金獎。這些受汽車水箱啟發(fā)的發(fā)明創(chuàng)造者，并不清楚汽車發(fā)動機為什么采用水(液)冷技術的原因，水在散熱過程所起的作用。

二、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(qū)動電源合為一體，采用現(xiàn)白熾燈一樣的安裝接口，這樣的設計雖便于普通民眾安裝，替換現(xiàn)白熾燈泡，但造價高，還有一致命的缺陷——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，如果燈罩封閉，或內(nèi)外空氣流通性差，其散熱效果將惡化，損毀是必然。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照明燈的設計，應該從LED光源的特性出發(fā)，建立起新的模式。

圖3示出了本文提出的LED照明燈模塊劃分，將散熱片以及驅(qū)動電源劃歸為燈具中的部件，由LED芯、導熱芯以及燈芯罩組成的燈芯，可便捷地從散熱片(燈具)拆下和按裝上，將被設計制造成系列獨立的標準部件。

燈芯與散熱片的熱連接(熱傳導)非常關鍵。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(yōu)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(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，導熱芯中間直徑中=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γ=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·△／γ·D·n·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(jié)構(gòu)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。

模塊劃分的科學之處：

(一)散熱穩(wěn)定可靠

按標準散熱功率來劃分不同規(guī)格的燈芯，比如：6W、10W、15W、20W，對應著不同規(guī)格的標準接口。燈具將按其標準散熱量劃分，其接口與其標準散熱量的燈芯接口相對應。燈具涉及到裝飾，則就千姿百態(tài)，但其標準散熱量必須達到規(guī)定的值即可。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(wěn)定，因而不用擔心用戶安裝時，改變其散熱性能，即散熱穩(wěn)定可靠。

(二)容易制定出燈具和燈芯的散熱和導熱熱阻的檢測標準以及實驗操作規(guī)程

燈具只要實驗測定出相對標準的導熱芯的散熱性能曲線，就可計算出散熱熱阻；燈芯只要實驗測定出，LED結(jié)點溫度與標準散熱片上的溫度差，計算出燈芯的導熱熱阻即可。

(三)容易實現(xiàn)模塊標準化，燈芯的通用標準化的實現(xiàn)也就近在直尺。

通過制定統(tǒng)一的燈芯與散熱片(燈具)的機械和電的接口標準，以及電源標準，就可形成相互獨立的專業(yè)化部件制造商，構(gòu)建出完善的現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，將顯著降低價格，LED照明燈普及將近在眼前。

關于電源標準：

本文認為應選用恒流驅(qū)動，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LED芯片(或并聯(lián)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，成開路狀態(tài)，則由于電壓過高(比如兩倍于LED最高電壓)，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。采用恒流驅(qū)動電源的優(yōu)點還有：

(一)更容易實現(xiàn)統(tǒng)一標準的電源。

比如規(guī)定標準統(tǒng)一的恒流電流定為350mA。芯片的額定電流與LED芯片中的晶片面積有關，也就容易調(diào)整設計出滿足統(tǒng)一額定電流標準的晶片，另外，還可以通過局部芯片并聯(lián)，比如兩三顆LED芯片并聯(lián)，達到統(tǒng)一額定電流(如350mA)。

(二)驅(qū)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；可將開關功率管BG都集成到驅(qū)動IC中(如圖4中虛線所示)，并且額定功率范圍大。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。

三、自然對流散熱原理及優(yōu)化

散熱過程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動(對流)將熱量帶走，散熱片的輻射傳熱所占的分量非常低，因而不于考慮。傳熱過程應滿足如下方程：

熱量平衡方程，空氣流動帶走的熱量(即散熱量)

Q=Cp·M·(T2-T1)(1)

Cp——空氣的比熱，為定值。

M——空氣流量。

(T2-T1)——散熱片出口處空氣溫度T2與進口處空氣溫度T1的溫差，出口處空氣溫度T2最高不超過散熱片的壁面溫度TW，即(T2-T1)有最大可能的數(shù)值。

從公式(1)可以分析得出，最有效提高散熱量的方向是提高空氣流量。

自然對流傳熱過程中，驅(qū)動空氣流動的動力是：空氣受熱溫度升高，比重下降而產(chǎn)生的浮力F：

F=∫Vg(P₀-p_a)dV=∫Vgp₀(1-T₀／T_a)dv(2)

g——重力加速度。

p——空氣密度。

V_散熱器的體積。

T⁰——環(huán)境大氣溫度。

T^a——散熱器內(nèi)的空氣溫度。

空氣流經(jīng)散熱片，散熱片產(chǎn)生的阻力：

f=1／2∫a·g·p·u²·ds(3)

S——空氣流經(jīng)的表面積，即散熱片的散熱面積。

a——流動阻力系數(shù)，與散熱片的結(jié)構(gòu)，空氣流動形式密切相關。

U——空氣在散熱片內(nèi)的流動速度，流速u越高空氣流量M也就越大。

對流傳熱方程，Q=∫h(Tw-Ta)ds(4)

h——對流傳熱系數(shù)。

(Tw-Ta)——散熱片壁面溫度Tw與散熱片內(nèi)的空氣溫度Ta的差值，散熱片的溫度TW受LED芯片結(jié)點溫度的限制。

以上四個公式約束著自然對流散熱過程，浮力F應等于流動阻力f再加空氣動量增加(p⁰u²)(在下一節(jié)中有較詳細的闡述)。降低流動阻力，，意味著空氣流速u2增加(即流量M增加)，以及浮力F要求下降。從公式(1)可以看出，流量M增加，有利于散熱量Q的提高，浮力F要求下降，從公式(2)可以分析得出，散熱片中的空氣溫度Ta可降低，又從公式(4)可以看出：有利散熱量Q的提高，這說明降低流動阻力，從各方面來講，都對散熱量Q提高有利。

降低流動阻力系數(shù)a，能有效降低流動阻力。當散熱片的肋片，上下豎立設置，空氣由下向上直接穿過散熱片時，低溫空氣直接進入散熱肋片，由公式(4)，有利于對流傳熱；空氣的流動方向與浮力方向一致，阻力最小。因而散熱片應設計成上下貫通的結(jié)構(gòu)，避免空氣彎曲流動，渦流出現(xiàn)。依據(jù)公式(3)，流動阻力與空氣在散熱片中的流速的平方成正比，因而降低流速能有效降低流動阻力。增大空氣在散熱片中的流通面積，既能不減小空氣流量M，又能降低流速。

太陽花式結(jié)構(gòu)散熱片，如圖5所示，LED芯片將集中在中心導熱柱截面上，不僅發(fā)熱源(LED芯片)離散熱肋片根距離近，則導熱柱內(nèi)導熱熱阻小，而且LED芯片集中，所占的截面積小，即空氣的有效流通面積大，因而有利于流動阻力減小。這說明：太陽花式結(jié)構(gòu)的散熱片，是LED燈散熱的最佳結(jié)構(gòu)。從制造方面講，采用鋁擠出工藝，制造出太陽花鋁型材，再裁切就成了散熱片，可制造出各種外形的散熱片，生產(chǎn)效率高，工序少，造價也就低。

由公式(2)分析：如果散熱器的體積V一定，所占空間尺寸一定，散熱器中的空氣溫度T a提高，有利于提高浮力F，但從公式(4)得出，卻不利于散熱肋片與空氣的對流傳熱(即散熱)。從公式(4)中分析，通過增加散熱肋片數(shù)量(即肋片密度)，來提高散熱面積S，有利于提高散熱量，但從公式(3)分析，卻相應地提高了流動阻力f。

以上分析說明：在自然對流傳熱中，通過增加散熱肋片密度(減小肋片之間的間隙)來增加散熱面積，以達到提高散熱量的目的，但存在著相反、矛盾的因素，因而散熱量提高有限，甚至有可能得到降低散熱量的相反結(jié)果。

可得出結(jié)論：當散熱片所占空間尺寸一定時，存在一最大自然對流散熱量，相對應就有著最佳肋片結(jié)構(gòu)(肋片密度)，最大散熱量與散熱片的流通截面積成正比。本文作者經(jīng)過大量的實驗證實了該結(jié)論，并總結(jié)有最佳肋片密度的計算經(jīng)驗公式，可以計算出優(yōu)化的LED燈散熱片。

四、自然對流散熱強化提高

在散熱片的上方設置對流罩，如圖6、7所示，利用煙囪的抽吸原理，提高空氣流經(jīng)散熱片的流量，來達到散熱量的強化提高。

對流罩產(chǎn)生的抽吸力(即浮力)，可以通過理論計算來分析，如圖8所示，采用控制體積法來分析，根據(jù)控制體內(nèi)動量平衡原理，可以推導出：F=∫gP₀(1-T₀／T_a)dV=P₂B+f(5)

此說明：抽吸力在增加空氣的動量(p₂u₂²)同時，還要克服流動阻力f?？諝鈩恿吭黾樱馕吨諝饬髁吭黾?，由公式(1)可得，有利散熱量提高。抽吸力與對流罩內(nèi)的體積V成正比，提高對流罩內(nèi)的空氣溫度，有助于提高抽吸力。進一步的分析還可得出：要有高的抽吸力，散熱片應盡可能設置在對流罩最低端，散熱片要緊奏。

根據(jù)以上得出的結(jié)論，對流罩的抽吸力與對流罩內(nèi)的體積V成正比，因而對于某些情況下，比如由于裝飾需要，燈具的高度尺寸有限制，可以通過增加截面積尺寸，達到同等的體積，同

等的抽吸力。在產(chǎn)品設計時，可以利用某些燈具的燈罩、簡燈上的燈筒、路燈上的外殼作為對流罩，既有裝飾作用，又有強化提高散熱量的作用。

對流罩豎立設置時，對流罩的抽吸作用最有效，散熱片采用太陽花式，LED芯只能朝上或朝下，如圖6、7所示。要解決燈光平射問題，可采用如圖9、10所示LED燈，對流罩采用透明材料制成，此時對流罩就是燈罩，LED芯朝上，對流罩內(nèi)設置有反射鏡，從LED芯發(fā)出的朝上的光線，經(jīng)反射鏡反射成平射，如果反射鏡的反射角可調(diào)，就可調(diào)動光線的平射角。對于隧道燈，或類似的照明燈，就可采用圖9、10所示的結(jié)構(gòu)。

五、路燈設計

圖11(a)為本文設計的路燈，采用10個太陽花式散熱片拼裝結(jié)構(gòu)，每燈芯(光模組)通過一顆螺栓固定在每個散熱片上，路燈外殼分為上蓋和下殼，上蓋可便捷打開，設立有獨立的電源室。

特點：

(一)最大散熱優(yōu)化設計。

散熱片結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)優(yōu)化設計，利用外殼(上蓋)作為對流罩，強化提高散熱量，完全可以確保鋁基板溫度與環(huán)境空氣溫度之差不超過30℃。有效控制和降低LED芯片結(jié)點溫度。

(二)模塊標準化，每個燈芯可現(xiàn)場便捷地拆裝維護。

如圖11(b)所示，打開上蓋，松開燈芯上的導線與電源室內(nèi)接線端的連接，松開固定螺釘，就可將燈芯(光模組)拆下，只用螺絲刀，就可現(xiàn)場完成燈芯的拆裝維護工作，解決了LED路燈的維護問題。

(三)配光容易，IP級防水防塵，結(jié)構(gòu)簡單可靠。

每組燈芯+散熱片都是獨立的，因而可調(diào)整每個燈芯的燈光照射角，實現(xiàn)所需路面照度，即配光容易；防水防塵在燈芯中完成，只要鋁基板與燈芯罩以及導線的密封要好即可，采用密封膠可完成，結(jié)構(gòu)簡單可靠，如圖11(c)所示。

(四)獨立的電源室，保證電源可靠。

有了獨立的電源室，電源的環(huán)境不受LED燈發(fā)熱的影響，環(huán)境溫度低，有外殼的保護，防水，電源可設計成開放式，電源中的元件工作溫度低，特別有利于電解電容的壽命，保證電源可靠。

(五)造價低，尺寸小，重量輕，

散熱量最大優(yōu)化設計+強化散熱，大大地減了路燈尺寸大小、重量、成本，120W路燈可減到不到兩公斤，外形尺寸僅為460×244×160(單位：毫米)，每瓦散熱用鋁不到4克；

(六)流線形造型，美觀大方。六、實驗結(jié)果分析比較

圖12是某廠現(xiàn)標稱為20W的LED筒燈的散熱片的照片，外形直徑為φ86mm，高65mm，是采用鋁擠出工藝制造的散熱片型材，經(jīng)多種機械加工工序才完成，凈重250克，散熱面S為0.1㎡。圖13中的實驗曲線B為該散熱片的散熱特性實驗結(jié)果，縱坐標Q為散熱功率，單位為w，實驗采用電熱片加熱，從電功率儀讀出發(fā)熱量；橫坐標△T為散熱片上的導熱板(與鋁基板相貼)的溫度T_w(設置有5個電熱偶)與環(huán)境空氣溫度T₀的差。圖13中的曲線C為該散熱片加設有沖孔的網(wǎng)罩的實驗結(jié)果，孔網(wǎng)的規(guī)格為φ6mm(孔徑)×2mm(孔間隙)，加設網(wǎng)罩，增加了空氣的流動阻力，因而散熱性能有明顯下降。

圖14為本文技術設計的20W的LED筒燈的樣品照片，采用太陽花式鋁材散熱片，結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)優(yōu)化計算設計，采用了高為120mm的對流罩，散熱片外徑為φ88mm，重為80克，圖15是設計圖。

圖13中的實驗曲線A為本文技術設計的散熱片散熱特性實驗曲線，與曲線B比較可以看出，當AT(Tw-To)為30℃時，本文技術設計的散熱片的散熱量是現(xiàn)所示產(chǎn)品的1.5倍，可以計算得出，表面對流傳熱系數(shù)h提高了兩倍，折算成每瓦散熱用鋁材為3.6克／瓦。如果按LED燈實際發(fā)熱量為17.5W計算，采用本文技術設計的散熱片，溫度可降低10℃之多。本文技術設計的散熱片成本也就是2元人民幣多點(按25元／Kg擠鋁型材計算)，而現(xiàn)所示產(chǎn)品，要加30％之多的切削耗量，以及煩瑣的機械切削工序，生產(chǎn)效率非常低，費用要達到近20元／件。

表1列出了20W筒燈現(xiàn)產(chǎn)品實際照明情況下的散熱特性，與本文技術樣品的比較，圖14為本文技術樣品照片，圖15為本專利技術設計圖，所用的LED芯片為CreeXlampXP-E，現(xiàn)產(chǎn)品采用了10顆，本文改進一也用10顆，本文改進二用9顆，都采用串聯(lián)。

總功率——采用功率計實測出的數(shù)據(jù)，包括了驅(qū)動電源的損耗。

Tw-Led芯片所焊在鋁基板的溫度，現(xiàn)產(chǎn)品是采用6根熱電偶，貼在鋁基板表面所測溫度的平均值，本專利改進則采用了兩根熱電偶，在鋁基板側(cè)鉆有①1.2mm，深4mm的孔，兩熱電偶插入孔中測得的溫度平均值。

從表1可以看出，采用本文技術設計的LED燈產(chǎn)品，溫度降低了9℃。

圖16(a)是某廠現(xiàn)標稱為60W的LED筒燈，外徑為φ185mm，高為130mm，其散熱片采用熱管加肋片結(jié)構(gòu)，圖16(b)示出了其拆除沖孔網(wǎng)罩的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖17為采用本專利設計的散熱片的56W的LED筒燈樣品照片，外型尺寸與圖16(a)所示的筒燈一樣，只是圖16(b)所示散熱片換成本專利設計的散熱片，并且取消了燈筒側(cè)壁上的通孔。本專利設計的散熱片由7個等六邊形太陽花式散熱片拼裝而成，散熱片總共用鋁重為285克。

表2列出了60W筒燈現(xiàn)產(chǎn)品在實際照明情況下的散熱特性，與本專利技術樣品的比較。所用的LED芯片為CreeXlampXP-E，現(xiàn)產(chǎn)品采用了30顆，本專利樣品采用了28顆，共有7個燈芯，每個燈芯配由4顆LED芯片，分別裝在7個太陽花散熱片上。

現(xiàn)產(chǎn)品(如圖16(b)所示)，采用熱管，結(jié)構(gòu)復雜，生產(chǎn)工序多，生產(chǎn)效率低，其造價需要140多元／件。而本專利設計的散熱器，鋁材重為285克，按25元／Kg計算，也就是7.5元／件，現(xiàn)圖16所示產(chǎn)品的二十分之一。從表2可以得出，雖本專利設計少了4W致少6.6％，但溫度降低了近4℃，大致降低15％。

以上實驗結(jié)果及分析比較說明：本專利提出的LED燈散熱片技術方案，采用太陽花式散熱片，經(jīng)優(yōu)化處理，散熱成本顯著下降，可以說：LED燈散熱將不是問題，不用再考慮其散熱成本。