详解实现LED照明灯模块标准化技术方案

　　阻碍LED照明应用普及的最大问题是LED灯 价格高,虽然上游的LED晶片厂商瓜分绝大部分利润,有大幅度降价空间,但要实现整个社会资源有效配置到LED照明整个产业链中,有效降低造价,便于普通民众购买安装,LED照明灯的模块标准化是必经之路,就像现有照明灯(白炽灯、日光灯/节能灯)那样。LED照明灯模块标准化的阻碍就是散热问题的存在。

　　人类对传热的研究已有上百年的历史,传热学及技术是非常之成熟,但在电子行业内,电子器件(尤其是芯片)散热问题倍受重视,也就是近不到十年的历史。人类成熟的传热知识没有移植到电子行业内,而是另起炉灶,创造出不少新名词：“主动散热”、“被动散热”、“热沉”听起来不知是什么意识,英文“sink” 在传热学及技术中也是非常罕见的名词。

　　LED散热只涉及到传热学中非常小的部分—导热传热和对流传热(主要是空气自然对流传热),是非常简单的问题,其中导热传热就可利用现有的传热计算软件,得到非常准确的解,但对于对流传热,必须通过大量的实验研究。而用计算机 软件计算,只有学术上的意义,对于在工程技术上就没有意义,因为误差太大。

　　由于业内对LED散热整个传热过程没有一个非常清晰的研究,分析从LED结点到空气与散热片表面的对流(自然)传热,每个过程中传热温差(即热阻)所占的比例,以及影响每个传热过程的因素,而这些研究成果还必须被结构工程师所熟知。因而目前的LED照明灯结构千姿百态,采用的散热技术种类繁多,甚有提出采用回流式热管,像似杀鸡举起了宰牛刀,还有一台湾公司发明有?液态沈浸散热技术?,这种缺乏基本对流传热知识的发明,竟还获得国际发明展金奖。

　　本文将提出实现LED照明灯模块标准化技术方案,还包括有散热片的强化和优化设计,结构非常简单,造价低,是一条有效解决LED散热问题的科学之路。不仅使LED照明灯模块化、标准化得以实现,而且散热成本显著降低,可实现散热用铝不到4克的水平,以后将不用再考虑散热所占的成本。总之LED散热并不难,将不是问题。

　　模块的科学划分

　　图1、2分别为东芝与夏普推出的LED照明灯,将LED芯片 、散热片以及驱动 电源 合为一体,采用现白炽灯一样的安装接口 ,这样的结构市面上非常多,虽然这样的设计便于普通民众安装,替换现白炽灯泡,但有一致命的缺陷——散热不可靠。

　　将图1、2所示的LED灯,横置、竖立或倒立,三种姿态情况下的散热效果都不一样,如果加有灯罩,其散热效果与灯罩的形状、大小密切相关,如果灯罩封闭,或内外空气流通性差,其散热效果将恶化,光衰将立即表现出,甚至马上出现损毁情况。因而这类LED灯,将不是LED照明发展方向。另外,图1、2所示散热片本身的结构形式并不理想,散热成本也不低。

　　球形白炽灯泡,直管式日光灯是由于此形状便于生产制造,而被采用。历史的积淀使得人们一提到照明灯,马上想到球形灯泡和直灯管。人们使用灯,目的是需要光明。LED是新型光源,因而LED照明灯的设计,应该从LED光源 的特性出发,建立起新的模式。

　　图3为本文提出的LED照明灯模块划分：灯芯包括有LED芯、导热芯以及灯芯罩,散热片被划归到灯具中的部件,电源也属于灯具中的部件。

 

　　这样的模块划分的科学之处在于：

　　一、散热稳定可靠;

　　二、容易实现LED照明灯的模块标准化,完善整个产业链,降低造价。

　　灯芯设计制造成系列标准部件,以标准散热功率 划分出不同规格接口,如：3W、6W、10W、12W、16W等,对应着不同规格的标准接口,标准散热功率不一定与LED芯的功耗相等,这与LED芯内封装有关。灯具则千姿百态,但其标准散热量必须达到规定的值,灯具将按其标准散热量划分,其接口与灯芯接口相对应。设计时可以这样,10W(标准散热功率)的灯芯可以安装到12W的灯具上,但12W的灯芯则不能安装到10W的灯具上,这都可以通过接口中的结构差异来实现。由于每种灯具有其相应的固定安装形式,其散热性能也就稳定,因而不用担心用户安装时,改变其散热性能,即散热稳定可靠。这样的模块划分,使得灯具和灯芯的散热热阻以及导热热阻检测标准以及实验操作制定更为容易,灯具只要实验测定出相对标准的导热芯的散热性能曲线,计算出散热热阻,灯芯只要实验测定出,LED结点温度与一标准散热片上的温度差,计算出灯芯的导热热阻即可。

　　灯具厂商将专心地根据不同需求,设计制造出各种各样的灯具;灯芯厂商专心芯片封装,制造灯芯,以降低成本提高生产效率,降低芯片内封装热阻为目标;晶片厂商专心晶片的研发,生产,更多的投入到如何降低成本,提高发光效 率;电源厂商专注电源,专用驱动芯片的开发。通过制定统一的标准,该标准包括：灯芯与散热片(灯具)的机械接口标准和电的接口标准,以及电源标准,将各部件厂商有机地联合在一起,形成一完善的产业链,社会资源将被合理配置到各个链中,LED照明灯价格将显著降低,LED照明灯普及将近在眼前。

　　灯芯与灯具的电的连接,是件容易的事,但灯芯与散热片的热连接(热传导),就不是那么容易的事。图3示出了解决该问题有效而又简单的技术方案：采用圆锥柱接触传热面。园锥柱和圆锥孔,加工容易,精度易保证,加工成本低。采用圆锥柱作为接触传热面的显著优点是保证导热芯和散热片两接触面之间的接触压力足够大：只要小的轴向力,就可得到被放大数倍的接触压力,因而灯芯和散热片之间传热热阻得到有效控制,即两者之间的热传导问题得到解决。以下计算例子进一步说明了这一点：

　　例如,导热芯中间直径Ф=20mm,高h=15mm,与散热片的锥孔面平均间隙△=0.03mm,采用普通导热膏λ=1.0W/m&mid dot;K,灯芯功率为Q=12W,可计算得出导热芯与散热片根的平均温度差：

　　△t=Q?;△/λ?;D?;л?;h=0.38℃,不到0.4℃。

　　图3中示出,灯芯与散热片(灯具)的机械连接采用螺扣,电的连接采用同心接插头式,普通操作者,不需任何工具,就可方便地将灯芯正确安装到位。图3所示结构非常简单,加工制造容易,造价也就低。图3中的灯芯罩的作用：1、保护LED芯;2、便于操作者安装;3、二次光学 ,设计制造出不同光输灯罩,比如聚光型或散光型,满足不同场所及应用。

　　关于电源标准：

　　本文认为应选用恒流驱动,灯芯中LED芯片采用串联式(局部有并联),如图4所示,每个LED芯片(或并联组)设有旁路保护元件 ,该元件的作用,一旦所配的LED芯片损坏,成断开路状态,则由于电压过高(比如两倍于LED最高电压),该元件击穿,形成永久性短路,使得不因一两个LED芯片损坏,而使整个灯芯报废。比如一个12W的LED灯,共有12颗LED芯片,如果有两颗损坏,光亮度 有下降,则而通电流调节端子,调大电流,补偿降低的亮度。因而灯的可靠性高。

　　采用恒流驱动电源的优点还有：

　　一、更容易实现统一标准的电源,比如规定标准统一的恒流电流定为350mA。15W的灯芯,额定电压也就是43V。芯片的额定电流与LED芯片中的晶片面积有关,容易调整设计出满足统一额定电流标准的晶片。另外,还可以通过局部芯片并联,比如两三颗LED芯片并联,达到统一额定电流(如350mA);

　　二、驱动电路简单、元器件少、成本低,电源效率高。由于工作电流低(350mA),开关 功率管BG的开关损耗也就小,则电源效率高;采用统一标准恒流(350mA),可将开关功率管BG都集成到驱动IC 中(如图4中虚线所示),并且额定功率范围大,从1W到70W(市电为AC 220V)范围工作。输出功率越大(LED芯串联越多),电源的输出工作电压也高,因而开关功率管BG承受的开关电压就越小,开关损耗也就越小,电源的效率也就更高。

　　散热片的优化及强化

　　散热过程最终是热量传到空气中,由空气流动(对流)将热量带走,空气流动(对流)在散热过程中非常重要,空气流量越大,能带走的热量(即散热量)越大。将散热片上下竖立设置,肋片竖立,使自然对流空气由下至上流动,穿过肋片,空气流动阻力小,有利于散热量提高。

　　自然对流传热过程中,驱动空气流动的动力是：空气受热温度升高,比重下降而产生的浮力,浮力与体积以及空气的温差(散热片中的空气温度与环境空气温度之差)成正比,也就是说散热片中的空气温度越高,浮力越大,空气自然对流量也就越大。但是散热肋片与空气的对流传热却与肋片温度和散热片中的空气温度之差成正比、与肋片面积(散热面积)成正比,而散热片所产生的空气流动阻力与空气流经的距高(即肋片高)以及肋片密度成正比,肋片高和肋片密度表现为散热面积。这些分析说明,在肋片式结构中的自然对流传热中,通过增加肋片高或肋片密度(减小肋片之间的间隙)来增加散热面,以达到提高散热量,存在相反的、矛盾的因素,因而散热量提高有限,甚至有可能是降低散热量,得到相反的结果。

　　经理论分析以及大量的实验研究,得出：散热片所占的空间尺寸一定,存在一最大自然对流散热量,相对应的是最佳肋片结构(肋片密度),最大散热量与散热片的流通面积(空气流经的横截面积)成正比。太阳花式散热片,肋片围着中心导热柱伸出,LED芯集中在中心导热柱端面上,LED芯(发热源)到肋片根部距离短,则导热热阻低,导热柱和LED芯所占的面积小,则流通面积大,因而太阳花散热片是LED散热最佳结构。增加散热片所占空间高度,有助于提高最大散热量,但不是正比关系,高度越高,提高的效益越少。因而应该对散热片结构进行优化处理,寻找出最佳肋片密度。本文在此指出,只有通过实验研究分析才能找到最佳结构。

　　在散热片的上方设置对流罩,如图5、6所示,利用烟囱抽吸原理,提高空气流经散热片的流量,得到散热量的强化提高,可以利用灯罩作为对流罩。对流罩的抽吸强度与对流罩内的有效容积成正比,外观尺寸表现为与对流罩的高度成正比。

　　对流罩竖立设置时,对流罩的抽吸作用最有效,散热片采用太阳花式,LED芯只能朝上或朝下,图5、6所示。图7、8所示的LED灯,就解决了灯光平射问题,对流罩采用透明材料制成,此时对流罩就是灯罩,LED芯朝上,对流罩内设置有反射镜,从LED芯发出的朝上光线,经反射镜反射成平射。

　　单个太阳花散热片的散热量有限,对应的单个LED灯芯的功率(即光照度 )也就有限,对于像路灯这类大功率照明灯,就采用数多太阳花式散热片拼合成一体,每个太阳花散热片带有LED灯芯,这就可以根据需要拼合成多种光照度(功率)的照明灯。

　　图9示出了一种路灯,散热片为10个等六边形太阳花式散热片,采用蜂窝型结构拼合。

　　经大量的实验分析研究得出：对流罩高取120mm(适合路灯和筒灯),散热片结构经优化,采用最佳结构,当导热芯与环境温度差为30℃时,可得每瓦散热用铝不到4克的水平,和现产品每瓦100多克用铝水平相比,提高非常显著。可以说：LED散热成本不应再考虑,LED散热将不再是问题。