LED的散熱

七．散熱器的設(shè)計(jì)

要談到散熱器，有一個(gè)概念先要搞清楚，就是導(dǎo)熱和散熱的區(qū)別。導(dǎo)熱就是要把熱量最快地從發(fā)熱源傳送到散熱器表面，而散熱則是要把熱量從散熱器表面散發(fā)到空氣中去。首先要把熱最快的導(dǎo)出來(lái)，然后要最有效地散到空氣里去。因?yàn)椴还懿捎檬裁捶椒ㄉ?，最后還是只能把熱量散發(fā)到空氣中。而熱量的散發(fā)只有兩種途徑：對(duì)流和輻射。

7.1對(duì)流散熱和輻射散熱

對(duì)于對(duì)流散熱來(lái)說(shuō)，其基本公式如下：

Q=h?A?△T

其中Q為散去的熱量，h為熱對(duì)流系數(shù)，A為散熱器的散熱面積，△T為散熱器表面和附近空氣之間的溫度差。

更形象一點(diǎn)，可以用圖10來(lái)表示：

圖10.基于對(duì)流的散熱量的計(jì)算

鰭片的散熱主要是靠對(duì)流和輻射，這其中對(duì)流是最重要的。這兩部分都取決于鰭片的總面積。面積越大，散熱效果越好。然而，對(duì)流散熱則不完全取決于鰭片面積的大小，而且還和風(fēng)力風(fēng)向有關(guān)，在完全無(wú)風(fēng)的狀態(tài)下，則和自然對(duì)流的阻力有關(guān)。例如假如為了防塵和防鳥(niǎo)屎堆積，鰭片朝下安裝，那么鰭片兩端不能堵住，而且燈具要么向下傾斜要么向上傾斜，可以讓熱空氣能夠順暢地流動(dòng)。

熱輻射的散熱公式為“Q=E×S×F×Δ(Ta－Tb)”。公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體表面的熱輻射系數(shù)。在實(shí)際中，當(dāng)物質(zhì)為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數(shù)比較小，而把金屬表面進(jìn)行處理后（比如發(fā)黑）其表面熱輻射系數(shù)值就會(huì)提升。塑料或非金屬類的熱輻射系數(shù)值大部分都比較高。S是物體的表面積，F(xiàn)則是輻射熱交換的角度和表面的函數(shù)關(guān)系，但這里這個(gè)函數(shù)比較難以解釋。Δ(Ta－Tb)則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。因此熱輻射量和熱輻射系數(shù)、物體表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關(guān)系。絕對(duì)黑體的輻射系數(shù)為1。熱輻射散熱也可以用另一個(gè)公式來(lái)表示：

由表中可見(jiàn)，氧化處理是改進(jìn)材料的輻射散熱的重要途徑。采用鑄鐵的暖氣片有相當(dāng)一部分的散熱靠的是輻射散熱。而且塑料的熱輻射性能和氧化后的金屬差不多。

為了改進(jìn)輻射散熱，鋁合金鰭片散熱器要進(jìn)行發(fā)黑處理，但是有人是采用噴黑色塑膠漆的方法，這種方法雖然也使其表面變黑，但是實(shí)際上又加上了一層絕緣層，妨礙了它的散熱。最好的方法是采用陽(yáng)極氧化發(fā)黑處理，這個(gè)氧化層可以做得很薄，不至于影響其散熱，但對(duì)輻射散熱有很大的改進(jìn)。。

總之，不管是對(duì)流還是輻射都是和散熱器的散熱面積成正比，所以要改善散熱一定要加大散熱器的面積。

八．鰭片散熱器

散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對(duì)流散熱。散熱器的最重要指標(biāo)就是它的散熱面積A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。在根部的散熱效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個(gè)有效散熱面積。它通常是實(shí)際面積的70%左右。從經(jīng)驗(yàn)得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。

而散熱器的材料通常是用鋁合金，和銅相比，雖然其熱傳導(dǎo)只有銅的一半，但是它重量輕、易加工、價(jià)格便宜，所以還是廣泛地應(yīng)用于散熱器之中。一種典型的散熱鋁合金型材如圖11所示。

圖11.典型的鰭片鋁合金散熱器

為了加大散熱面積，通常會(huì)采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用會(huì)越來(lái)越小。圖12表明增加高度對(duì)于降低結(jié)溫的影響的一個(gè)例子。

圖12.LED結(jié)溫隨散熱器的高度增加而降低

由圖中可以看出，高度增加到40mm以后，結(jié)溫的降低就很慢了。

加大長(zhǎng)度也是加大面積的一個(gè)方法。但是并不是長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好。

由圖中可知，長(zhǎng)度增加到一定程度以后，結(jié)溫不但不再降低，反而會(huì)升高。這是因?yàn)榭諝庠谘亻L(zhǎng)度方向的流動(dòng)受到阻礙所致(主要對(duì)于垂直放置的鰭片為如此)。

所以對(duì)于散熱器來(lái)說(shuō)，除了加大面積以外，如何加速空氣的對(duì)流是很重要的事，尤其是像LED路燈這類安裝在室外的路燈更為重要。由于室外的風(fēng)向是不定的，為了在各種風(fēng)向情況下都能有很好的對(duì)流，最好采用針狀鰭片散熱器。但這也減小了其等效散熱面積很大的百分比。

珠海南科首次把針狀散熱器應(yīng)用至LED路燈中，據(jù)說(shuō)這可以使LED的結(jié)溫降低15度以上，提高了LED的壽命。

路燈散熱器往往由于灰塵和鳥(niǎo)糞的積累而使其散熱效果大為降低，所以通常采用朝下安裝的方法來(lái)避免，但是這樣做又會(huì)使空氣對(duì)流的效果降低，因?yàn)闊峥諝馐窍蛏狭鲃?dòng)的。通常要在安裝時(shí)有一個(gè)傾斜角來(lái)改善。

九．采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱

目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具都是采用自然空氣對(duì)流來(lái)散熱的。然而，對(duì)流的散熱效果是和空氣的流速是有密切關(guān)系的。在一個(gè)15W的LED燈具中，如果采用強(qiáng)制風(fēng)冷可以得到其LED的結(jié)溫和風(fēng)速的關(guān)系如圖15所示。

圖15.LED結(jié)溫和風(fēng)速的關(guān)系

在電腦的CPU中，從來(lái)都是采用小風(fēng)扇的強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)來(lái)散熱的。那么在LED中能不能也采用風(fēng)扇來(lái)散熱呢！

目前最大功率的LED燈具要算是LED路燈了。LED路燈和電腦最大的差別就是它是安裝在室外的十分惡劣的環(huán)境條件下的。如果采用風(fēng)扇，那么這種風(fēng)扇也必須能夠承受十分惡劣的環(huán)境條件。例如必須能夠防水、防潮、防塵，能夠承受高低溫的考驗(yàn)，等等…。而且它本身不能消耗很大的功率。

最近臺(tái)灣Sunon公司推出全球最小、最薄、耗電量最低的“毫米科技風(fēng)扇與鼓風(fēng)扇MightyMiniFanBlower。并用于各種功率的LED燈具。例如，應(yīng)用于LED球泡燈，就可以突破9W的瓶頸限制而達(dá)到15W的水平。同時(shí)展示全新“One-module”概念所設(shè)計(jì)的LED散熱模塊，將LED燈具散熱模塊化，一款散熱模塊可應(yīng)用于多款LED燈具，簡(jiǎn)化客戶端的設(shè)計(jì)流程，預(yù)計(jì)推出可散熱7-15W、10-25W、25-40W幾種功率水平?？蓱?yīng)用于LED球燈、筒燈、MR16投射燈、LED軌道燈等各式LED應(yīng)用產(chǎn)品的散熱。

十.結(jié)束語(yǔ)

目前LED的發(fā)光效率還是比較低，從而引起結(jié)溫升高，壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問(wèn)題。LED的散熱設(shè)計(jì)必須從芯片開(kāi)始一直到整個(gè)散熱器，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要給于充分的注意。任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不當(dāng)都會(huì)引起嚴(yán)重的散熱問(wèn)題。過(guò)去的LED路燈在長(zhǎng)期工作中的大量失效，一半以上是散熱設(shè)計(jì)欠缺所引起，另一半是電源失效所引起。所以對(duì)散熱的設(shè)計(jì)必須給以充分的重視。

隨著LED的光效逐年提高，它的發(fā)熱問(wèn)題也會(huì)逐漸降低。相信總有一天我們會(huì)看到不需要散熱器的LED燈具的出現(xiàn)！