散热基础理论

本文简述了LED灯散热行业内问题，提出便于实现LED灯模块标准化的技术方案，将散热片划归为灯具中的部件，由LED芯和导热芯构成的灯芯，设计成系列标准，采用圆锥柱面导热芯，有效解决灯芯（导热芯）与散热片（灯具）之间的热传导问题，并认为恒流驱动电源更合理。

针对散热片自然对流传热，本文提出了采用对流罩，利用烟囱效应，强化提高散热，并简述了优化理念。

经大量实验得出，每瓦散热用铝不到4克的显著结果，LED灯散热将不再是问题。

一引论LED照明由于其节电、环保、长寿命，而被公认为下一带照明技术，将取代现有的各种照明技术。

LED为冷光源，怕热，有80％之多的电能转化为热能，必须有散热措施，虽然LED发光技术已有飞跃发展，有每瓦发光达200lm的报道，但LED散热却是LED照明中非常头痛，但又还没得到有效解决的问题，成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。

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。

散热属于传热中的一部分。

人类对传热的研究已有上百年的历史，上世纪60～70年代是人们对传热研究的顶峰时期，其主要动力是人类开发航空航天的需求。

那时代，传热技术领域聚集了许多优秀人才，有不少传热研究人员成为知名人士，之后人们对传热研究热情逐渐减小，目前传热学及技术的专业人员非常少。

传热学及技术已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被树叶遮盖，不被现在的人们看见，以致当电子行业，主要是计算机中的CPU发热量突然大增时，人们没有去拔开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识移植到电子行业内。

而是另起炉灶，创造出不少新名词：“主动散热”、“被动散热”、“热沉”等听起来不知是什么意思，英文“Sink”在传热学及技术中也是非常罕见的名词。

针对LED灯散热，当前业内缺乏对整个传热过程中的每个传热过程清晰的研究结果，分析出：从LED结点到空气与散热片表面的对流（自然）传热、每个过程中的传热温差（即热阻）所占比例，哪个过程的温差最大，即主要矛盾，以及影响每个传热过程的因素，如何降低其热阻的技术方向，尤其是热阻最大的传热过程，降低其热阻的技术方向更重要。

既使有了这些研究结果，还必须被结构工程师所熟知，因为传热最终要通过结构来实现。

导致LED散热简单问题被复杂化的原因有：知识断层，拥有成熟的传热知识的人员参于到LED散热研究的甚少，缺乏专业的LED散热研究机构，给行业内明确正确的指导思想，研讨会非常之多，但学术气氛少，商业味较浓。

目前行业内从业的专业散热技术人员，许多是从计算机散热方面转过来的，自然地将那方面常用的技术以及商业行为带过来，比如，热管技术，被大量应用到大功率LED照明灯（比如路灯）中，给那些原来为计算机芯片散热器服务的热管厂商创造了新的商机。

甚至还有提出采用回流式热管，如果说LED灯散热采用一般热管像似杀鸡用了杀猪刀，那么采用回流式热管就像似杀鸡举起了宰牛刀。

台湾有一家公司发明有«液态沉浸散热技术»，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。

国内也有类似的企业，并有一定的知名度，开发LED液冷散热技术，称已申请有30多项专利。

这些受汽车水箱启发的发明创造者，并不清楚汽车发动机为什么采用水（液）冷技术的原因，水在散热过程所起的作用。

本文提出了实现LED照明灯模块标准化技术方案，将散热片划归为灯具中的部件，由LED芯和导热芯构成的灯芯，将被设计制造成系列标准，采用圆锥柱面导热芯，有效解决灯芯（导热芯）与散热片（灯具）之间的热传导问题，实现灯芯与灯具可便捷地拆与装，结构非常简单，造价低，是一条实现模块标准化科学之路，并认为恒流驱动电源更合理。

自然对流散热，无机械运动，可靠性高，成本低，自然地被LED灯首选。

本文将阐述自然对流散热原理，最大散热量以及优化设计的理念；论述了LED灯散热片的最佳应用结构—太阳花式散热片，提出采用对流罩，利用烟囱效应强化提高散热热量。

经大量的实验以及分析研究，得到优化和强化的结果，可实现每瓦散热用铝不到4克的水平，散热成本显著降低，以后将不再用考虑散热所占的成本，总之LED散热并不难，将不再是问题。

（本文不涉及LED封装内的传热，这将在以后的文章中阐述并提出有效的解决方案。

）二模块的科学划分图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，但造价高，还有一致命的缺陷——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示出了本文提出的LED照明灯模块划分，将散热片以及驱动电源划归为灯具中的部件，由LED芯、导热芯以及灯芯罩组成的灯芯，可便捷地从散热片（灯具）拆下和按装上，将被设计制造成系列独立的标准部件。

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·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。

解决了热连接（热传导）问题，灯芯的通用标准化的实现也就近在直尺，将按标准散热功率来划分不同规格的灯芯，比如：3W、6W、10W、15W、20W，对应着不同规格的标准接口，而不像现灯泡（白炽灯）那样与功率无关，只有两三种接口。

因而LED灯芯的标准接口规格有许多种，但种数还是有限，灯具涉及到装饰，则就千姿百态，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，其接口与其标准散热量的灯芯接口相对应。

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。

本文所提出的模块划分，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，就可计算出散热热阻；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。

有了灯具和灯芯的散热以及导热热阻的检测标准和操作的规程，就容易快速鉴别各种产品的优劣。

目前还没有鉴别LED灯散热性能优劣的标准及操作，而是采用非常原始的方法，比如路灯，采用现场工作1000小时，多家企业产品一起进行PK，测定其光衰情况，这种鉴别既不科学，又非常麻烦，比如夏天期间测定结果和冬天期间的结果是不一样，因为冬夏的气温有变化，某些地区变化非常大。

依据本文提出的模块划分，以及模块具体的结构，就可容易制定出统一的灯芯与散热片（灯具）的机械接口标准和电的连接接口标准，以及电源标准，这些标准还可形成国际化标准。

有了这些统一的标准，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，灯芯制造，开发全自动生产设备，提高生产效率，降低成本，研发出内封装热阻更低的芯片封装结构；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，提高光电效率；电源厂商专注电源，专用驱动芯片的开发，提高电源效率，降低产品成本。

在LED照明产业链中的各级厂商，分工明确、既紧密配合，又相互独立，构建一完善的现代化产业连，社会资源又将被合理地配置到各个链中，成本价格将显著降低，LED照明灯普及将近在眼前。

总之，本文提出LED照明灯的模块划分的科学之处：①散热稳定可靠；②容易实现LED照明灯的模块标准化，以及相应的检测标准和操作规程，完善整个产业链，降低造价。

关于电源标准关于电源标准关于电源标准关于电源标准：：：：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，则可通电流调节端子，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，也就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AC220V）范围工作。