LED照明由于其節(jié)電,、環(huán)保,、長(zhǎng)壽命，而被公認(rèn)為下一帶照明技術(shù),，將取代現(xiàn)有的各種照明技術(shù),。LED為冷光源，怕熱,，有80%之多的電能轉(zhuǎn)化為熱能,，必須有散熱措施，雖然LED發(fā)光技術(shù)已有飛躍發(fā)展,，有每瓦發(fā)光達(dá)200lm的報(bào)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(yīng)用普及的最大問題是LED燈價(jià)格高,，雖然上游的LED晶片廠商瓜分絕大部分利潤(rùn)，有大幅度降價(jià)空間,，但要實(shí)現(xiàn)整個(gè)社會(huì)資源有效配置到LED照明整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中,，有效降低造價(jià)，便于普通民眾購(gòu)買安裝,，LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化是必經(jīng)之路,，就像現(xiàn)有照明燈（白熾燈、日光燈/節(jié)能燈）那樣,。LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化的阻礙就是散熱問題的存在,。

　　人類對(duì)傳熱的研究已有上百年的歷史,，傳熱學(xué)及技術(shù)是非常之成熟，但在電子行業(yè)內(nèi),，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(shí)沒有移植到電子行業(yè)內(nèi),，而是另起爐灶,，創(chuàng)造出不少新名詞：“主動(dòng)散熱”、“被動(dòng)散熱”,、“熱沉”聽起來不知是什么意識(shí),，英文“sink” 在傳熱學(xué)及技術(shù)中也是非常罕見的名詞,。

　　LED散熱只涉及到傳熱學(xué)中非常小的部分—導(dǎo)熱傳熱和對(duì)流傳熱（主要是空氣自然對(duì)流傳熱）,，是非常簡(jiǎn)單的問題，其中導(dǎo)熱傳熱就可利用現(xiàn)有的傳熱計(jì)算軟件,，得到非常準(zhǔn)確的解,，但對(duì)于對(duì)流傳熱，必須通過大量的實(shí)驗(yàn)研究,。而用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算,，只有學(xué)術(shù)上的意義，對(duì)于在工程技術(shù)上就沒有意義,，因?yàn)檎`差太大,。

　　由于業(yè)內(nèi)對(duì)LED散熱整個(gè)傳熱過程沒有一個(gè)非常清晰的研究，分析從LED結(jié)點(diǎn)到空氣與散熱片表面的對(duì)流（自然）傳熱,，每個(gè)過程中傳熱溫差（即熱阻）所占的比例,，以及影響每個(gè)傳熱過程的因素，而這些研究成果還必須被結(jié)構(gòu)工程師所熟知,。因而目前的LED照明燈結(jié)構(gòu)千姿百態(tài),，采用的散熱技術(shù)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(tái)灣公司發(fā)明有?液態(tài)沈浸散熱技術(shù)?，這種缺乏基本對(duì)流傳熱知識(shí)的發(fā)明,，竟還獲得國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng),。

　　本文將提出實(shí)現(xiàn)LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方案，還包括有散熱片的強(qiáng)化和優(yōu)化設(shè)計(jì),，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,，造價(jià)低，是一條有效解決LED散熱問題的科學(xué)之路,。不僅使LED照明燈模塊化,、標(biāo)準(zhǔn)化得以實(shí)現(xiàn),，而且散熱成本顯著降低，可實(shí)現(xiàn)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,。

　　模塊的科學(xué)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(dòng)電源合為一體，采用現(xiàn)白熾燈一樣的安裝接口,，這樣的結(jié)構(gòu)市面上非常多,，雖然這樣的設(shè)計(jì)便于普通民眾安裝，替換現(xiàn)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(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(guān),，如果燈罩封閉,，或內(nèi)外空氣流通性差，其散熱效果將惡化,，光衰將立即表現(xiàn)出,，甚至馬上出現(xiàn)損毀情況。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(shè)計(jì),，應(yīng)該從LED光源的特性出發(fā)，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(dǎo)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(xué)之處在于：

　　一、散熱穩(wěn)定可靠,；

　　二,、容易實(shí)現(xiàn)LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化，完善整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈,，降低造價(jià),。

　　燈芯設(shè)計(jì)制造成系列標(biāo)準(zhǔn)部件,，以標(biāo)準(zhǔn)散熱功率劃分出不同規(guī)格接口,，如：3W、6W,、10W,、12W、16W等,，對(duì)應(yīng)著不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)接口,，標(biāo)準(zhǔn)散熱功率不一定與LED芯的功耗相等，這與LED芯內(nèi)封裝有關(guān),。燈具則千姿百態(tài),，但其標(biāo)準(zhǔn)散熱量必須達(dá)到規(guī)定的值，燈具將按其標(biāo)準(zhǔn)散熱量劃分,，其接口與燈芯接口相對(duì)應(yīng),。設(shè)計(jì)時(shí)可以這樣，10W（標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)差異來實(shí)現(xiàn)。由于每種燈具有其相應(yīng)的固定安裝形式,，其散熱性能也就穩(wěn)定,，因而不用擔(dān)心用戶安裝時(shí)，改變其散熱性能,，即散熱穩(wěn)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(dǎo)熱熱阻檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)操作制定更為容易，燈具只要實(shí)驗(yàn)測(cè)定出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)熱芯的散熱性能曲線,，計(jì)算出散熱熱阻,，燈芯只要實(shí)驗(yàn)測(cè)定出，LED結(jié)點(diǎn)溫度與一標(biāo)準(zhǔn)散熱片上的溫度差,，計(jì)算出燈芯的導(dǎo)熱熱阻即可,。

　　燈具廠商將專心地根據(jù)不同需求，設(shè)計(jì)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(chǎn)效率,，降低芯片內(nèi)封裝熱阻為目標(biāo),；晶片廠商專心晶片的研發(fā)，生產(chǎn),，更多的投入到如何降低成本,，提高發(fā)光效率；電源廠商專注電源,，專用驅(qū)動(dòng)芯片的開發(fā),。通過制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包括：燈芯與散熱片（燈具）的機(jī)械接口標(biāo)準(zhǔn)和電的接口標(biāo)準(zhǔn),，以及電源標(biāo)準(zhǔn),，將各部件廠商有機(jī)地聯(lián)合在一起，形成一完善的產(chǎn)業(yè)鏈,，社會(huì)資源將被合理配置到各個(gè)鏈中,，LED照明燈價(jià)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(dǎo)）,，就不是那么容易的事,。圖3示出了解決該問題有效而又簡(jiǎn)單的技術(shù)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(diǎn)是保證導(dǎo)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(dǎo)問題得到解決,。以下計(jì)算例子進(jìn)一步說明了這一點(diǎn)：

　　例如,，導(dǎo)熱芯中間直徑Ф=20mm，高h(yuǎn)=15mm,，與散熱片的錐孔面平均間隙△=0.03mm,采用普通導(dǎo)熱膏λ=1.0W/m·K,，燈芯功率為Q=12W，可計(jì)算得出導(dǎo)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(jī)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(jiǎn)單，加工制造容易,，造價(jià)也就低,。圖3中的燈芯罩的作用：1、保護(hù)LED芯,；2,、便于操作者安裝；3,、二次光學(xué),，設(shè)計(jì)制造出不同光輸燈罩,，比如聚光型或散光型,，滿足不同場(chǎng)所及應(yīng)用。

　　關(guān)于電源標(biāo)準(zhǔn)：

　　本文認(rèn)為應(yīng)選用恒流驅(qū)動(dòng),，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(gè)LED芯片（或并聯(lián)組）設(shè)有旁路保護(hù)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(gè)LED芯片損壞,，而使整個(gè)燈芯報(bào)廢。比如一個(gè)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(diào)節(jié)端子,，調(diào)大電流,，補(bǔ)償降低的亮度。因而燈的可靠性高,。

　　采用恒流驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)點(diǎn)還有：

　　一,、更容易實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的電源，比如規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)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(guān),，容易調(diào)整設(shè)計(jì)出滿足統(tǒng)一額定電流標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到統(tǒng)一額定電流（如350mA）；

　　二,、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,、元器件少、成本低,，電源效率高,。由于工作電流低（350mA），開關(guān)功率管BG的開關(guān)損耗也就小,，則電源效率高,；采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)恒流（350mA），可將開關(guān)功率管BG都集成到驅(qū)動(dòng)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(lián)越多）,，電源的輸出工作電壓也高,，因而開關(guān)功率管BG承受的開關(guān)電壓就越小，開關(guān)損耗也就越小,，電源的效率也就更高,。

　　散熱片的優(yōu)化及強(qiáng)化

　　散熱過程最終是熱量傳到空氣中，由空氣流動(dòng)（對(duì)流）將熱量帶走,，空氣流動(dòng)（對(duì)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(shè)置,，肋片豎立,，使自然對(duì)流空氣由下至上流動(dòng)，穿過肋片,，空氣流動(dòng)阻力小,，有利于散熱量提高。

　　自然對(duì)流傳熱過程中,，驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)的動(dòng)力是：空氣受熱溫度升高,，比重下降而產(chǎn)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(huán)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(duì)流量也就越大,。但是散熱肋片與空氣的對(duì)流傳熱卻與肋片溫度和散熱片中的空氣溫度之差成正比,、與肋片面積（散熱面積）成正比，而散熱片所產(chǎn)生的空氣流動(dòng)阻力與空氣流經(jīng)的距高（即肋片高）以及肋片密度成正比,，肋片高和肋片密度表現(xiàn)為散熱面積,。這些分析說明，在肋片式結(jié)構(gòu)中的自然對(duì)流傳熱中,，通過增加肋片高或肋片密度（減小肋片之間的間隙）來增加散熱面,，以達(dá)到提高散熱量，存在相反的,、矛盾的因素,，因而散熱量提高有限，甚至有可能是降低散熱量,，得到相反的結(jié)果,。

　　經(jīng)理論分析以及大量的實(shí)驗(yàn)研究，得出：散熱片所占的空間尺寸一定,，存在一最大自然對(duì)流散熱量,，相對(duì)應(yīng)的是最佳肋片結(jié)構(gòu)（肋片密度），最大散熱量與散熱片的流通面積（空氣流經(jīng)的橫截面積）成正比,。太陽花式散熱片，肋片圍著中心導(dǎo)熱柱伸出,，LED芯集中在中心導(dǎo)熱柱端面上,，LED芯（發(fā)熱源）到肋片根部距離短，則導(dǎo)熱熱阻低,，導(dǎo)熱柱和LED芯所占的面積小,，則流通面積大，因而太陽花散熱片是LED散熱最佳結(jié)構(gòu)。增加散熱片所占空間高度,，有助于提高最大散熱量,，但不是正比關(guān)系，高度越高,，提高的效益越少,。因而應(yīng)該對(duì)散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，尋找出最佳肋片密度,。本文在此指出,，只有通過實(shí)驗(yàn)研究分析才能找到最佳結(jié)構(gòu)。

　　在散熱片的上方設(shè)置對(duì)流罩,，利用煙囪抽吸原理,，提高空氣流經(jīng)散熱片的流量，得到散熱量的強(qiáng)化提高,，可以利用燈罩作為對(duì)流罩,。對(duì)流罩的抽吸強(qiáng)度與對(duì)流罩內(nèi)的有效容積成正比，外觀尺寸表現(xiàn)為與對(duì)流罩的高度成正比,。

　　對(duì)流罩豎立設(shè)置時(shí),，對(duì)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,，。圖7,、8所示的LED燈,，就解決了燈光平射問題，對(duì)流罩采用透明材料制成,，此時(shí)對(duì)流罩就是燈罩,，LED芯朝上，對(duì)流罩內(nèi)設(shè)置有反射鏡,，從LED芯發(fā)出的朝上光線,，經(jīng)反射鏡反射成平射。

                                                   圖5                                                        圖6

　　單個(gè)太陽花散熱片的散熱量有限,，對(duì)應(yīng)的單個(gè)LED燈芯的功率（即光照度）也就有限,，對(duì)于像路燈這類大功率照明燈，就采用數(shù)多太陽花式散熱片拼合成一體,，每個(gè)太陽花散熱片帶有LED燈芯,，這就可以根據(jù)需要拼合成多種光照度（功率）的照明燈。

                                                                       圖7

　　圖7示出了一種路燈,，散熱片為10個(gè)等六邊形太陽花式散熱片,，采用蜂窩型結(jié)構(gòu)拼合,。

　　經(jīng)大量的實(shí)驗(yàn)分析研究得出：對(duì)流罩高取120mm（適合路燈和筒燈），散熱片結(jié)構(gòu)經(jīng)優(yōu)化,，采用最佳結(jié)構(gòu),，當(dāng)導(dǎo)熱芯與環(huán)境溫度差為30℃時(shí)，可得每瓦散熱用鋁不到4克的水平,，和現(xiàn)產(chǎn)品每瓦100多克用鋁水平相比,，提高非常顯著?？梢哉f：LED散熱成本不應(yīng)再考慮,，LED散熱將不再是問題。