LED光源為照明產(chǎn)業(yè)的大勢(shì)所趨,，惟整體發(fā)光效率仍未達(dá)市場(chǎng)要求，其中,，散熱缺陷為首要解決的棘手課題,，目前產(chǎn)業(yè)界已發(fā)展出利用LED驅(qū)動(dòng)器" title="LED驅(qū)動(dòng)器">LED驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)式熱能管理" title="熱能管理">熱能管理，其藉由內(nèi)建熱能回折功能,，以改善LED在使用年限與散熱的發(fā)展窒礙,。
在2007年，美國(guó)能源部能源情報(bào)署(EIA)發(fā)表一篇報(bào)告,，在該篇報(bào)告中特別提到美國(guó)(在商業(yè)區(qū)與住宅)的照明設(shè)備總共約消耗5,260億千瓦小時(shí)的電能,。若參考2008年EIA的報(bào)告，可發(fā)現(xiàn)美國(guó)一座核能發(fā)電廠(chǎng)能產(chǎn)生124億千瓦小時(shí)的電能,。因此,，透過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算可知，美國(guó)光在照明設(shè)備的使用即須耗掉四十二座核能發(fā)電廠(chǎng)的電能,。隨著人口數(shù)量的逐漸成長(zhǎng),，照明工業(yè)必須尋找新型態(tài)的照明光源，以提高照明效率與降低能量消耗,。
在照明工業(yè)上,，發(fā)光二極管(LED)一直以來(lái)都被寄予厚望能取代傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈及各種氣體放電光源的照明設(shè)備,，主因系LED能降低功耗,，并讓土壤不受到有害化學(xué)物質(zhì)危害。然即使LED的發(fā)光效率早已超越如氙氣燈(HID)的高效率光源,，但在內(nèi)部電路組成與整體亮度表現(xiàn)仍不盡理想,。
LED的發(fā)光效率受限于光產(chǎn)生方式，與其采用的材料制造方式無(wú)關(guān)。LED內(nèi)部發(fā)光的方式通常以非輻射方式產(chǎn)生,，因此大多數(shù)的光會(huì)被重新吸收并產(chǎn)生熱源,。以磷光體為主的白光LED，會(huì)因?yàn)槭吠锌宋灰菩?yīng)(Stokes Shift)所產(chǎn)生的熱源而造成LED發(fā)光效率降低,。不過(guò)有幾種創(chuàng)新的解決方案能改善輻射復(fù)合率與光子吸收的問(wèn)題,，以增加LED的亮度與發(fā)光效率。
透過(guò)植入光子晶體提高亮度
Luminus Devices率先提出一種解決方案,，藉由植入光子晶體,，以便為局限(Trapped)在基板中的光子提供波導(dǎo)管。光子晶體是自然生成的物質(zhì),，在蛋白石這類(lèi)型的材料中便可看到光子晶體的存在,，其緊密的結(jié)構(gòu)特性，可提供光線(xiàn)放射的路徑,，能產(chǎn)生更高密度的光場(chǎng)強(qiáng)度,，藉此特性與其他如量子井、光共振腔等特點(diǎn),，能使LED亮度超乎想象增加,。對(duì)于需要高亮度的應(yīng)用，如投影機(jī),、液晶顯示器(LCD)背光板光源及其他特殊的應(yīng)用而言,，這些特殊的組件皆已相當(dāng)普及，未來(lái)希望能應(yīng)用在一般照明設(shè)備,。
每種照明設(shè)備均存在光源使用壽命問(wèn)題,，經(jīng)常遭遇的狀況有類(lèi)似白熾燈泡的鎢絲突然燒斷，或因長(zhǎng)時(shí)間使用而使得光源材料因逐漸老化以致變暗而故障,，LED亦因組件的接面溫度而出現(xiàn)老化現(xiàn)象,。所有的照明設(shè)備在提供穩(wěn)定亮度條件下，于一定使用年限后,，亮度勢(shì)必會(huì)逐漸低于有效亮度之下,。在不同的照明應(yīng)用裝置中，皆有使用壽命時(shí)間限制,。舉例來(lái)說(shuō),，當(dāng)使用在路燈裝置的亮度已衰減至原先50%時(shí)，即代表使用年限,，但使用在醫(yī)生內(nèi)視鏡的光源裝置可能亮度尚未衰減那么多,。
藉熱能管理/LED驅(qū)動(dòng)IC管理亮度損耗
LED使用壽命的終點(diǎn)代表其照明亮度已低于可用的水平以下，而LED使用壽命的長(zhǎng)短與溫度的關(guān)聯(lián)性非常高(圖1),。若以圖1中的曲線(xiàn)為設(shè)計(jì)參考,，要設(shè)計(jì)出一款通用型的照明設(shè)備,，且使用壽命至少50,000小時(shí)后還能有最初50%的亮度，則接面溫度必須控制在100℃之下,。在不使用主動(dòng)冷卻的前提下,，將是極為艱巨的任務(wù)。另外,，由于LED無(wú)法使用輻射散熱的問(wèn)題,，此將使得散熱弊病更雪上加霜。傳統(tǒng)白熾燈泡可經(jīng)由輻射方式分散出大量的紅外線(xiàn)熱能,，而LED則須考慮如何解決散熱問(wèn)題,。此外，在使用過(guò)程中,，若接面溫度瞬間超過(guò)制造商所限制的溫度范圍,，就會(huì)對(duì)發(fā)光組件的壽命造成劇烈的永久傷害。
圖1 LED照明" title="LED照明">LED照明的溫度效應(yīng)
若LED須進(jìn)行降級(jí)才能處理嚴(yán)峻的接面溫度,，則當(dāng)在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)或核心組件時(shí),，就必須認(rèn)真思考兩件重要事項(xiàng)，分別為熱能管理與對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的了解,。不僅僅在通用性的照明應(yīng)用中須考慮到此兩個(gè)因素,，在其他應(yīng)用中也須要被考慮。最簡(jiǎn)易的解決方案就是采用被動(dòng)熱能管理方式,，經(jīng)由散熱片搭配足夠的氣流能帶走廢熱氣。Nuventix研發(fā)一種主動(dòng)式冷卻裝置,，此裝置并沒(méi)有采用任何的風(fēng)扇組件,，而是利用高速的空氣噴射器產(chǎn)生氣流，其作業(yè)原理就像是一名單車(chē)騎士單手抓著大卡車(chē)的后面,，藉由卡車(chē)快速前進(jìn)而快速馳騁,，Nuventix所設(shè)計(jì)的冷卻器就是利用類(lèi)似的原理，提供高效率的冷卻方式,。此技術(shù)已被應(yīng)用在MR16,、PAR20、PAR25等標(biāo)準(zhǔn)照明設(shè)備中,。
解決方案中,，另一個(gè)重要的課題就是利用LED驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)式熱能管理方式。傳統(tǒng)上,，LED驅(qū)動(dòng)器有固定的電流源,，主要用來(lái)監(jiān)視并控制流入一組或多組LED的電流量。通常來(lái)說(shuō),，此足以驅(qū)動(dòng)LED,，并能在改變輸入電壓過(guò)程中保持相同的亮度大小。然隨著亮度與架構(gòu)的改良，LED已能提供更高的亮度光源,，且逐漸進(jìn)化成具備熱能控制需求的完整光源引擎核心組件,。
為防止組件遭受破壞或讓使用壽命縮短，必須進(jìn)行熱能管理,，且已有多種方法可以解決此問(wèn)題,。圖2為兩種不同的回折曲線(xiàn)，可在溫度上升時(shí)限制LED的電流流量,。當(dāng)接面溫度保持在默認(rèn)溫度范圍內(nèi)時(shí),，就經(jīng)由主要的控制回路作為電流調(diào)節(jié)；但當(dāng)接面溫度超過(guò)默認(rèn)范圍時(shí),，就會(huì)使用另一組控制回路限制電流大小,。其中接面溫度的回折點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)電流的衰減率，均可依照不同的應(yīng)用和LED制造商的建議改變,。
圖2 熱能回折曲線(xiàn)的實(shí)例
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)所推出的LED驅(qū)動(dòng)器LM3424,，已內(nèi)建熱能回折功能，設(shè)計(jì)者能(藉由調(diào)整曲線(xiàn)斜率)選擇所需的設(shè)定點(diǎn)與系統(tǒng)增益值,。此使得LED在一般照明與其他的特殊應(yīng)用裝置(如緊急告示板)中,，更能掌握LED因使用年限或受到高溫破壞的現(xiàn)象。
熱能管理提升可靠度 大幅延長(zhǎng)LED使用壽命
雖然LED技術(shù)不斷演進(jìn),，卻也衍生出許多新的問(wèn)題,。隨著LED發(fā)光強(qiáng)度與效率持續(xù)改善，更多的照明 應(yīng)用設(shè)備將會(huì)逐漸從傳統(tǒng)的發(fā)光源轉(zhuǎn)移至新型態(tài)的LED發(fā)光源,，并產(chǎn)生更多的新應(yīng)用,。當(dāng)引入新的冷卻解決方案與驅(qū)動(dòng)技術(shù)后，熱能管理將變得更加容易,，并能延長(zhǎng)LED使用壽命,，使得LED具有不須替換的潛力，此在目前使用的白熾燈泡中為難以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo),。