詳解實(shí)現(xiàn)LED照明燈模塊標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)方案

　　阻礙LED照明應(yīng)用普及的最大問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(méi)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(tīng)起來(lái)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(jiàn)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(wèn)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(guò)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(méi)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(guò)程沒(méi)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(guò)程中傳熱溫差(即熱阻)所占的比例,以及影響每個(gè)傳熱過(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)接口中的結(jié)構(gòu)差異來(lái)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(kāi)發(fā)。通過(guò)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(wèn)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(wèn)題得到解決。以下計(jì)算例子進(jìn)一步說(shuō)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/mmid dot;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(kāi)路狀態(tài),則由于電壓過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān) 功率管BG的開(kāi)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(kāi)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AC 220V)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(kāi)關(guān)功率管BG承受的開(kāi)關(guān)電壓就越小,開(kāi)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(guò)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(guò)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