LED照明燈科學發(fā)展之路培訓資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。LED照明燈科學發(fā)展之路-LED照明燈科學發(fā)展之路散熱將不再是問題HYPERLINK/search/index.dll?dt=2010%2D8%2D252010-8-2515:03:22中國半導體照明網HYPERLINK/search/index.dll?au=%C7%D8%B1%EB+%B2%A9%CA%BF秦彪博士行業(yè)分類:HYPERLINK/search/hy.dll?hy=%B7%E2%D7%B0封裝瀏覽4187次本文簡述了LED燈散熱行業(yè)內問題，提出便于實現LED燈模塊標準化的技術方案，將散熱

2、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(yōu)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。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，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(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，但

3、又還沒得到有效解決的問題，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，但要實現整個社會資源有效配置到LED照明整個產業(yè)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(jié)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。散熱屬于傳熱中的一部分。人類對傳熱的研究已有上百年的歷史，上世紀6070年代是人們對傳熱研究的頂峰時期，其主要動力是人類開發(fā)航空航天的需求。那時代，傳熱技術領域聚集了許多優(yōu)秀人才，有不少傳熱研究人員成為知

4、名人士，之后人們對傳熱研究熱情逐漸減小，目前傳熱學及技術的專業(yè)人員非常少。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，人們沒有去拔開地面上的樹葉，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。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。針對LED燈散熱，當前業(yè)內缺乏對整個傳熱過程中的每個傳熱過程清晰的研究結果，分析出：從LED結點到空氣與散熱片表面的對流（自然）傳熱、每個過程中的傳熱溫差

5、（即熱阻）所占比例，哪個過程的溫差最大，即主要矛盾，以及影響每個傳熱過程的因素，如何降低其熱阻的技術方向，尤其是熱阻最大的傳熱過程，降低其熱阻的技術方向更重要。既使有了這些研究結果，還必須被結構工程師所熟知，因為傳熱最終要通過結構來實現。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封裝芯片內的溫度分布（傳熱過程）；分析從LED芯片到散熱肋片的內部溫度分布。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

6、術上的意義，沒有實際工程意義，因為誤差太大，目前還有不少的公司熱衷推銷此類軟件。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，給行業(yè)內明確正確的指導思想，研討會非常之多，但學術氣氛少，商業(yè)味較濃。目前行業(yè)內從業(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

7、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。國內也有類似的企業(yè)，并有一定的知名度，開發(fā)LED液冷散熱技術，稱已申請有30多項專利。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。本文提出了實現LED照明燈模塊標準化技術方案，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，將被設計制造成系列標準，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，實現燈芯與燈具可便捷地拆與裝，結構非常簡單，造價低，是一條實現模塊標準化科學之

8、路，并認為恒流驅動電源更合理。自然對流散熱，無機械運動，可靠性高，成本低，自然地被LED燈首選。本文將闡述自然對流散熱原理，最大散熱量以及優(yōu)化設計的理念；論述了LED燈散熱片的最佳應用結構太陽花式散熱片，提出采用對流罩，利用煙囪效應強化提高散熱熱量。經大量的實驗以及分析研究，得到優(yōu)化和強化的結果，可實現每瓦散熱用鋁不到4克的水平，散熱成本顯著降低，以后將不再用考慮散熱所占的成本，總之LED散熱并不難，將不再是問題。（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。）二、模塊的科學劃分圖、分別為東芝與夏普推出的照明燈，將芯片、散熱片以及驅動電源合為一體，采用現白熾燈一樣

9、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，但造價高，還有一致命的缺陷散熱不可靠。將圖、所示的燈，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。因而這類燈，將不是照明發(fā)展方向。另外，圖、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。是新型光源，因而照明燈的設

10、計，應該從光源的特性出發(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，就可得到被放大數倍的接觸壓力，因而燈芯和散熱片之間傳熱熱阻得

11、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20mm，高h15mm，與散熱片的錐孔面平均間隙0.03mm,采用普通導熱膏1.0W/mK，燈芯功率為W，可計算得出導熱芯與散熱片根的平均溫度差：t=Q/Dh=0.38,不到0.4圖中示出，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。圖所示結構非常簡單，加工制造容易，造價也就低。圖中的燈芯罩的作用：1、保護芯；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。解決了熱連接（熱

12、傳導）問題，燈芯的通用標準化的實現也就近在直尺，將按標準散熱功率來劃分不同規(guī)格的燈芯，比如：3W、6W、10W、15W、20W，對應著不同規(guī)格的標準接口，而不像現燈泡（白熾燈）那樣與功率無關，只有兩三種接口。因而LED燈芯的標準接口規(guī)格有許多種，但種數還是有限，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，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。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(wěn)定，因而不用

13、擔心用戶安裝時，改變其散熱性能，即散熱穩(wěn)定可靠。本文所提出的模塊劃分，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，就可計算出散熱熱阻；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。有了燈具和燈芯的散熱以及導熱熱阻的檢測標準和操作的規(guī)程，就容易快速鑒別各種產品的優(yōu)劣。目前還沒有鑒別LED燈散熱性能優(yōu)劣的標準及操作，而是采用非常原始的方法，比如路燈，采用現場工作1000小時，多家企業(yè)產品一起進行PK，測定其光衰情況，這種鑒別既不科學，又非常麻煩，比如夏天期間測定結果和冬天期間的結果是

14、不一樣，因為冬夏的氣溫有變化，某些地區(qū)變化非常大。依據本文提出的模塊劃分，以及模塊具體的結構，就可容易制定出統(tǒng)一的燈芯與散熱片（燈具）的機械接口標準和電的連接接口標準，以及電源標準，這些標準還可形成國際化標準。有了這些統(tǒng)一的標準，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，燈芯制造，開發(fā)全自動生產設備，提高生產效率，降低成本，研發(fā)出內封裝熱阻更低的芯片封裝結構；晶片廠商專心晶片的研發(fā)、生產，更多的投入到如何降低成本，提高光電效率；電源廠商專注電源，專用驅動芯片的開發(fā)，提高電源效率，降低產品成本。在LED照明產業(yè)鏈中的各級廠商，分工明確、既緊密配合，又相互獨立，

15、構建一完善的現代化產業(yè)連，社會資源又將被合理地配置到各個鏈中，成本價格將顯著降低，LED照明燈普及將近在眼前?？傊?，本文提出LED照明燈的模塊劃分的科學之處：散熱穩(wěn)定可靠；容易實現LED照明燈的模塊標準化，以及相應的檢測標準和操作規(guī)程，完善整個產業(yè)鏈，降低造價。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(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。比如一個12W的LED燈，共

16、有12顆LED芯片，如果有兩顆損壞，光亮度有下降，則可通電流調節(jié)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(yōu)點還有：一、更容易實現統(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。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，也就容易調整設計出滿足統(tǒng)一額定電流標準的晶片，另外，還可以通過局部芯片并聯，比如兩三顆LED芯片并聯，達到統(tǒng)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(tǒng)一標準恒流（350mA），可將開關功率管

17、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。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?？諝饬鲃訋ё叩臒崃浚瓷崃浚㏎：Q=CpM(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(

18、T2-T1)有最大可能的數值。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F：F=Vg(o-a)dv=Vgo(1-)dv(2)g重力加速度。空氣密度。V散熱器的體積。O環(huán)境大氣溫度。a散熱器內的空氣溫度。空氣流經散熱片，散熱片產生的阻力：=Sgu2ds(3)S空氣流經的表面積，即散熱片的散熱面積。流動阻力系數，與散熱片的結構，空氣流動形式密切相關。u空氣在散熱片內的流動速度，流速u越高空氣流量也就越大。散熱片的散熱量Q還應滿足以下公式：Q=Sh(TwTa)ds（4）h對流傳熱系數。(TwTa)散

19、熱片壁面溫度Tw與散熱片內的空氣溫度Ta的差值，散熱片的溫度Tw受LED芯片結點溫度的限制。以上四個公式約束著自然對流散熱過程，浮力F應等于流動阻力再加空氣動量增加（2）（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，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，

20、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構，避免空氣彎曲流動，渦流出現。依據公式（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。太陽花式結構散熱片，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：太陽花式結構的散熱片，是LED燈散熱的最佳結構。從制造方面

21、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：如果散熱器的體積一定，所占空間尺寸一定，散熱器中的空氣溫度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。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

22、熱量的相反結果?？梢缘贸鼋Y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構（肋片密度），最大散熱量與散熱片的流通截面積成正比。本文作者經過大量的實驗證實了該結論，并總結有最佳肋片密度的計算經驗公式，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，提高空氣流經散熱片的流量，來達到散熱量的強化提高。對流罩產生的抽吸力（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，根據控制體內動量平衡原理，可以推導出：FVgo(1-)dv=2B+（5）此說明：抽吸力在增加空氣的動量（2）同時

23、，還要克服流動阻力。空氣動量增加，意味著空氣流量增加，由公式（1）可得，有利散熱量提高。抽吸力與對流罩內的體積成正比，提高對流罩內的空氣溫度，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。根據以上得出的結論，對流罩的抽吸力與對流罩內的體積成正比，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。在產品設計時，可以充分利用燈具上的燈罩作為對流罩，既有裝飾作用，又有強化提高散熱量的作用。對于筒燈，自然地將燈筒設計成對流罩。圖9所示的LED路燈，散熱片為10個等六邊形太陽花式散熱

24、片，采用蜂窩型結構拼合成，設置有大尺寸的后殼，后殼頂開有通氣孔，后殼就構成了對流罩。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10、11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，對流罩內設置有反射鏡，從LED芯發(fā)出的朝上的光線，經反射鏡反射成平射，如果反射鏡的反射角可調，就可調動光線的平射角。對于隧道燈，或類似的照明燈，就可采用圖10、11所示的結構。五、實驗結果分析比較圖12是某廠現標稱為20W的LED筒燈的散熱片的照片，外形直徑為86mm，高65mm，是采用鋁擠出工藝制造

25、的散熱片型材，經多種機械加工工序才完成，凈重250克，散熱面S為0.1m2。圖13中的實驗曲線B為該散熱片的散熱特性實驗結果，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w(設置有5個電熱偶)與環(huán)境空氣溫度TO的差。圖13中的曲線C為該散熱片加設有沖孔的網罩的實驗結果，孔網的規(guī)格為6mm(孔徑)2mm（孔間隙），加設網罩，增加了空氣的流動阻力，因而散熱性能有明顯下降。圖13中的實驗曲線為本專利技術設計的散熱片散熱特性實驗曲線，采用太陽花式鋁材散熱片，結構尺寸經優(yōu)化計算設計，采用了高為120mm的對流罩，散熱片外徑為88

26、mm，重為80克。與曲線比較可以看出，當T(TwTo)為30時，本專利技術設計的散熱片的散熱量是現所示產品的1.5倍，可以計算得出，表面對流傳熱系數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，采用本專利技術設計的散熱片，溫度可降低10之多。本專利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），而現所示產品，要加30%之多的切削耗量，以及煩瑣的機械切削工序，生產效率非常低，費用要達到近20元/件。表1列出了20W筒燈現產品實際照明情況下的散熱特性，與本專利技術樣品的比較，圖14為本專利技術樣品照片，圖15為本專利技術設計圖，所用的LE