LED散熱新趨勢―靜音氣冷技術

由于現(xiàn)今的電子產品不僅需要高效率的散熱裝置，還必須在比以往更小、更薄的空間內運作，但是較小型的散熱風扇要產生更大的工作量及更快的轉速，才能達到如大型風扇一樣的空氣流通量。只是提高轉速的同時也意味著噪音更大和組件磨損速度更快的缺點，故不適合用在如投影機、薄型筆電(Notebook)和其他在狹小空間內提供安靜散熱功能的裝置，因而造成電子產品研發(fā)人員的“冷卻難題”。

　　低噪音特性獲青睞　靜音氣冷后勢看漲

　　目前在電子產品邁向輕薄短小的設計趨勢下，業(yè)界顯然需要兼具小巧、靜音、高效率及低成本特色的新式主動散熱技術來進行冷卻，雖然尚未有此類技術可被商業(yè)化量產，但靜音氣冷技術(Silent Air-cooling Technology, Silent ACT)已是一種相當接近未來散熱系統(tǒng)的要求而被看好的新技術。其散熱原理是透過一個高強度電場把電極頭周圍的空間離子化，當離子從電極移至收集電極時，就會和中性的空氣粒子互撞且傳遞電荷，接著則會移動及產生氣流空氣分子離子化，最后再透過電場來推動氣流(圖1)。

圖1　靜音氣冷技術運作示意圖

　　由于現(xiàn)今的電子產品不僅需要高效率的散熱裝置，還必須在比以往更小、更薄的空間內運作，但是較小型的散熱風扇要產生更大的工作量及更快的轉速，才能達到如大型風扇一樣的空氣流通量。只是提高轉速的同時也意味著噪音更大和組件磨損速度更快的缺點，故不適合用在如投影機、薄型筆電(Notebook)和其他在狹小空間內提供安靜散熱功能的裝置，因而造成電子產品研發(fā)人員的“冷卻難題”。

　　低噪音特性獲青睞　靜音氣冷后勢看漲

　　目前在電子產品邁向輕薄短小的設計趨勢下，業(yè)界顯然需要兼具小巧、靜音、高效率及低成本特色的新式主動散熱技術來進行冷卻，雖然尚未有此類技術可被商業(yè)化量產，但靜音氣冷技術(Silent Air-cooling Technology, Silent ACT)已是一種相當接近未來散熱系統(tǒng)的要求而被看好的新技術。其散熱原理是透過一個高強度電場把電極頭周圍的空間離子化，當離子從電極移至收集電極時，就會和中性的空氣粒子互撞且傳遞電荷，接著則會移動及產生氣流空氣分子離子化，最后再透過電場來推動氣流(圖1)。

圖1　靜音氣冷技術運作示意圖

　　而當離子化的分子將動能傳到中性的空氣分子，產生穩(wěn)定氣流后，就在能最低噪音下冷卻電子組件。舉例來說，靜音氣冷所產生的噪音，只比半無響室(Semi-Anechoic Chamber)的背景值高1分貝，在正常環(huán)境中人耳幾乎聽不到如此細微的差別。

　　事實上，該技術原理早在數(shù)10年前就已經被業(yè)界提出，但直到最近才有重大進展，并開始進入商品化階段。其中，全球電子產業(yè)微型化技術供貨商Tessera已將此技術改造為一個可內建至標準筆記本電腦中，并和現(xiàn)有電子系統(tǒng)并存運作的靜音氣冷原型裝置(圖2)。而最近此類技術的研發(fā)則更著重在延長使用壽命和效能優(yōu)化上，如今，技術發(fā)展已日趨成熟，業(yè)者可開始考慮何種裝置最適合納入此項技術，并有哪些技術適合與其搭配。

圖2　內建靜音氣冷散熱系統(tǒng)的筆記本電腦

　　桌面計算機/小型裝置不適用靜音氣冷

　　必須注意的是，所有發(fā)熱較少的可攜式電子產品冷卻方案都是把廢熱傳到空氣中，相關的熱傳導可直接透過散熱組件，或透過遠處的輻射表面將廢熱傳至空氣，故歸類為一種被動式散熱方式。而最普遍的被動熱傳導系藉由緩慢上升的熱空氣帶動周圍溫度較低的空氣流入，以填補上升熱氣所空出的空間，相當適用于廢熱較少的小型電子裝置，如MP3與手機。因此，凡是可使用被動散熱組件的小型電子裝置，均不建議采用靜音氣冷或其他主動式散熱技術。

　　另一方面，由于小筆電(Netbook)售價持續(xù)下探，亦不適合使用此項先進的靜音氣冷技術再添成本。同時，桌面計算機搭載強大的中央處理器(CPU)與其他電子組件以達到高運算效能，故熱能較多，必須運用成本低且具高熱傳導效率的主動式氣冷配備如風扇冷卻；而桌面計算機內部也有足夠空間來裝設多個大型散熱風扇，快速排散數(shù)以百瓦計的廢熱，故其散熱系統(tǒng)也無搭載靜音氣冷的必需性。

　　薄型設計當?shù)馈§o音氣冷一展長才　

　　雖然被動式散熱有一項特點是完全無聲，但卻無法滿足高效能電子產品的散熱需求，以一部典型的筆電須排散25～60瓦(W)甚至更多熱量為例，就算是用鉆石做成的筆電，搭配全球最好的等向性導熱體，若采用的是無風扇被動散熱技術，最多只能排散10～15瓦的熱量，可預見過熱狀況將層出不窮。

　　有鑒于當前筆電排熱量可觀，而機體設計不斷朝向輕薄趨勢，又擁有吵雜的散熱風扇，故已成為靜音氣冷的理想搭擋，而針對圖2所示的靜音氣冷組件原型設計，其經過專門設計，如搭載電子液動力送風機(EHD Blower)與微型高壓電源供應器(HVPS)后，可被建置于原本用來容納機械式散熱風扇的空間內(26cm2×1m)。加上此款原型組件采用冷陰極管(CCFL)變壓器電路，亦可將筆電電池的12伏特直流電(VDC)轉換成運作此組件所需的千伏特(kV)電力等級。

　　鎖定薄型化電子產品的發(fā)展，最新的靜音氣冷技術也將著重于優(yōu)化散熱氣流及縮減厚度，且僅須使用過去一半的耗電量就能讓排熱量達到和風扇加散熱片一樣的散熱水平。

　　無獨有偶，最近一體成型(All-in-one)計算機市占率持續(xù)攀升，而其內部空間相當有限，且散熱系統(tǒng)也經常位于用戶的耳朵附近，使得靜音運作格外重要，而靜音氣冷微型化、低噪音的特性在此類型應用中便很合適，成為另一個可將其導入的新興應用領域。

　　另一方面，若以大型電子設備如數(shù)據中心的冷卻方案來看，由于數(shù)據中心是搭配專屬的基礎設施并在固定地點上運作，因此適合采用以液態(tài)冷卻技術來散熱。有別于可攜式應用，數(shù)據中心可安裝管線，以安靜且有效率的方式將服務器排出的熱量傳送至外部，再透過大型散熱片搭配風扇散熱。不過，如果沒有靜音的考慮，又能妥善控制冷卻負荷，便可只使用高風壓傳統(tǒng)風扇，不須使用液態(tài)冷媒。在這種情況中，靜音氣冷即可被用來提升風扇的冷卻效率，但不太可能完全取代風扇。

　　LED導入靜音氣冷需求興

　　值得一提的是，靜音氣冷其中一個主要應用為發(fā)光二極管(LED)照明，尤其在白熾燈泡的運作溫度高達800℃，大多透過輻射散熱，而LED照明裝置的運作溫度僅有80～120℃，且不會釋出大量的紅外線能量的情下，近來LED逐漸成為取代白熾燈泡的省電型產品。然而，在LED運作持續(xù)升溫之際，已影響光色和降低光強度，再加上傳統(tǒng)燈泡的燈座并非以散熱為考慮來設計，因此當使用LED燈取代傳統(tǒng)燈具時，就必須透過分子對流的方法排熱(圖3)。

　　圖3　靜音氣冷裝置靠近一個均勻加熱的大面積平板時所攝得的熱影像，其可在一個狹小空間內產生微風，僅需數(shù)平方毫米空間就能讓LED溫度降至25℃。

　　目前冷卻LED最常見的解決方案是被動式散熱，此方式不外乎運用大體積、笨重、較昂貴的散熱片來達成效果，且不會產生任何噪音或震動，故非常適合完全不允許有噪音與震動的照明應用。不過，熱傳導技術在更小、更輕的機體中，所排散的廢熱遠超過被動式傳導所能支持，因此靜音氣冷將成為LED照明燈具極富前景的解決方案。

　　微型化趨勢帶動　新型散熱方案行情漲

　　微型化趨勢促使市場須以新型的主動散熱技術取代高發(fā)熱小型裝置中的散熱風扇。雖然目前原始設備制造商(OEM)并沒有可行的替代方案；不過靜音氣冷技術由于能為小尺寸裝置提供高效率散熱，前景一片看好。

　　最近許多新科技皆邁向商品化，使得許多電子裝置的研發(fā)業(yè)者開始考慮靜音氣冷技術的各種可能應用。整體而言，廢熱產生量較少的產品，如MP3隨身聽與手機，或是有充裕空間來裝設大型風扇的應用，如服務器與桌面計算機，都還不須要用到靜音氣冷技術，而最可能采用此技術的對象則包括像數(shù)字投影機、機頂盒、標準筆電(非小筆電)，以及LED照明燈具等裝置。