LED照明由于其節(jié)電、環(huán)保,、長壽命,，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,，便于普通民眾購買安裝，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：“主動散熱”,、“被動散熱”、“熱沉”聽起來不知是什么意識,，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)熱傳熱和對流傳熱（主要是空氣自然對流傳熱）,，是非常簡單的問題，其中導(dǎo)熱傳熱就可利用現(xiàn)有的傳熱計算軟件，得到非常準(zhǔn)確的解,，但對于對流傳熱，必須通過大量的實驗研究,。而用計算機(jī)軟件計算,，只有學(xué)術(shù)上的意義，對于在工程技術(shù)上就沒有意義,，因為誤差太大,。
由于業(yè)內(nèi)對LED散熱整個傳熱過程沒有一個非常清晰的研究，分析從LED結(jié)點到空氣與散熱片表面的對流（自然）傳熱,，每個過程中傳熱溫差（即熱阻）所占的比例,，以及影響每個傳熱過程的因素，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,，還有一臺灣公司發(fā)明有?液態(tài)沈浸散熱技術(shù)?，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,。
本文將提出實現(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化和優(yōu)化設(shè)計,，結(jié)構(gòu)非常簡單,，造價低，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)化得以實現(xiàn)，而且散熱成本顯著降低,，可實現(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?？傊甃ED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,，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、容易實現(xiàn)LED照明燈的模塊標(biāo)準(zhǔn)化,，完善整個產(chǎn)業(yè)鏈,，降低造價。
燈芯設(shè)計制造成系列標(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應(yīng),。設(shè)計時可以這樣，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，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)熱熱阻檢測標(biāo)準(zhǔn)以及實驗操作制定更為容易,，燈具只要實驗測定出相對標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)熱芯的散熱性能曲線,，計算出散熱熱阻，燈芯只要實驗測定出，LED結(jié)點溫度與一標(biāo)準(zhǔn)散熱片上的溫度差,，計算出燈芯的導(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,，社會資源將被合理配置到各個鏈中,，LED照明燈價格將顯著降低，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。以下計算例子進(jìn)一步說明了這一點：
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(hù)LED芯,；2、便于操作者安裝,；3,、二次光學(xué)，設(shè)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(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,，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(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LED芯片損壞,，而使整個燈芯報廢。比如一個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，補償降低的亮度。因而燈的可靠性高,。
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(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(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,，空氣流動（對流）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,，使自然對流空氣由下至上流動,，穿過肋片，空氣流動阻力小，有利于散熱量提高,。
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,，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,，空氣自然對流量也就越大,。但是散熱肋片與空氣的對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驗研究,，得出：散熱片所占的空間尺寸一定,，存在一最大自然對流散熱量，相對應(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,，只有通過實驗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，得到散熱量的強化提高,，可以利用燈罩作為對流罩,。對流罩的抽吸強度與對流罩內(nèi)的有效容積成正比，外觀尺寸表現(xiàn)為與對流罩的高度成正比,。
對流罩豎立設(shè)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,，。圖7,、8所示的LED燈,，就解決了燈光平射問題，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(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
單個太陽花散熱片的散熱量有限,，對應(yīng)的單個LED燈芯的功率（即光照度）也就有限,，對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)大量的實驗分析研究得出：對流罩高取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,，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,。