LED 元器件及其驅(qū)動(dòng)電子元件會(huì)產(chǎn)生很多熱量，必須進(jìn)行散熱，才能保持最佳光輸出，并最大程度延長(zhǎng) LED 的工作壽命。雖然使用散熱器的被動(dòng)式冷卻足以滿足典型 LED 應(yīng)用需求，但高亮度、高功率的 LED 燈具還是應(yīng)該考慮采用主動(dòng)式冷卻。

主動(dòng)式強(qiáng)制氣流冷卻會(huì)提高燈具的復(fù)雜度，但在 LED 燈具的使用壽命和性能方面，它具有很大優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出這些缺點(diǎn)。

本文將討論發(fā)熱和 LED 性能之間的關(guān)系。然后，本文將介紹兩種強(qiáng)制氣流冷卻模塊：一種使用風(fēng)扇，另一種使用合成射流。最后，我們還將討論汽車應(yīng)用中的強(qiáng)制氣流 LED 冷卻實(shí)例。

發(fā)熱如何影響 LED 性能

必須盡可能讓 LED 保持冷卻，有三個(gè)主要原因。第一個(gè)原因與 LED 的輻射功率相關(guān)，該功率會(huì)發(fā)生變化，與結(jié)溫存在函數(shù)關(guān)系。更高的環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致更高的結(jié)溫。隨著結(jié)溫升高，LED 的正向電壓和流明輸出都會(huì)下降（圖 1）。

圖 1： 紅色、藍(lán)色、磷光體轉(zhuǎn)換白色 LED 的相對(duì)光輸出，與結(jié)溫存在函數(shù)關(guān)系。（圖片來源： 倫斯勒理工學(xué)院；數(shù)據(jù)基于 Lumileds LED，并將 25°C 結(jié)溫下的光輸出標(biāo)準(zhǔn)化為 100%）。

第二，LED 在最大額定結(jié)溫范圍內(nèi)工作，可能觸發(fā)各種應(yīng)力機(jī)制，將大幅縮短 LED 壽命。第三，高結(jié)溫會(huì)降低 LED 的顯色指數(shù) (CRI)。CRI 是一項(xiàng)基于客觀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來衡量顏色“真實(shí)度”的技術(shù)指標(biāo)。

當(dāng)然，良好的熱管理還有其他一些優(yōu)點(diǎn)。例如，高效的散熱還可以最大程度地降低更換頻率，從而減少 LED 照明系統(tǒng)的總成本。良好的熱管理還讓燈具能夠在更高功率水平下工作，減少達(dá)到特定亮度所需使用的 LED 數(shù)量。

被動(dòng)式與主動(dòng)式冷卻

大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)人員可選擇被動(dòng)式或主動(dòng)式冷卻。被動(dòng)式冷卻使用自然空氣導(dǎo)熱和對(duì)流，通常以散熱器為輔助，加快這兩種方式的散熱。散熱器可為低流明 LED 燈具解決熱管理難題。但是，僅依靠散熱器還無法為 75 W 或 100 W 功率的 LED 燈具進(jìn)行散熱。即便散熱器是專門針對(duì)此應(yīng)用設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)人員也會(huì)發(fā)現(xiàn)它體積過大，成本昂貴，在機(jī)械方面不便于操控。

為了針對(duì)高流明應(yīng)用有效進(jìn)行設(shè)計(jì)，我們可能需要主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)，以擴(kuò)散 LED 元器件和驅(qū)動(dòng)電子元件產(chǎn)生的熱量。除了散熱器之外，主動(dòng)式冷卻還包括一個(gè)子系統(tǒng)，通常為風(fēng)扇，可強(qiáng)制空氣吹過散熱器。

主動(dòng)式冷卻的一大優(yōu)點(diǎn)是散熱器的體積和尺寸減少最多三分之二。這樣可以降低散熱器的成本，并且縮小整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。它還讓改造更具可行性。

主動(dòng)式冷卻的理想目標(biāo)應(yīng)用是板上芯片 (COB) LED，它包括多個(gè) LED，安裝在同一個(gè) PC 板上。在 COB 中使用的 LED 是芯片，而且不采用傳統(tǒng)的封裝方式。因此，它們的安裝只需占用更小的空間，并為強(qiáng)制氣流、對(duì)流冷卻的散熱器和風(fēng)扇組件提供更多操作便利性。用于 COB 器件時(shí)，主動(dòng)式冷卻風(fēng)扇可以有效地將溫度降至 90?F/36?C，遠(yuǎn)低于典型 COB 器件的工作溫度閾值 120?C。

強(qiáng)制氣流模塊選擇考慮因素

為冷卻 LED 而設(shè)計(jì)的風(fēng)扇必須具有極低耗電量，可在很小的空間內(nèi)安裝，預(yù)期使用壽命至少與電燈本身相當(dāng)（現(xiàn)代風(fēng)扇工作原理提供的使用壽命達(dá)到數(shù)十萬小時(shí)）。風(fēng)扇可以強(qiáng)制空氣進(jìn)入系統(tǒng)，迫使空氣流過散熱器，更加高效地散熱，從而有效地降低環(huán)境溫度。軸流風(fēng)扇很常用，空氣在同一個(gè)軸向上進(jìn)入和離開。

制造商通常使用性能曲線來描述風(fēng)扇的特性，該曲線繪制氣流與靜態(tài)壓力的關(guān)系，以英寸或毫米水柱為單位。這些風(fēng)扇中的風(fēng)量相對(duì)較高，空氣壓力相對(duì)較低。

主動(dòng)式冷卻解決方案還非常高效，很多此類解決方案的能耗僅為 0.5 瓦特。風(fēng)扇葉片的效率會(huì)發(fā)生變化，與氣動(dòng)負(fù)載存在函數(shù)關(guān)系。軸流風(fēng)扇的峰值效率通常在大約為最高壓力的三分之一的壓力點(diǎn)出現(xiàn)。為按照輸入功率與輸出功率的比率來計(jì)算風(fēng)扇效率，可使用以下公式推導(dǎo)：

風(fēng)扇效率 = POUT/PIN風(fēng)扇輸入功率 (PIN) = PIN（瓦特） = V x I

風(fēng)扇輸出功率 (POUT) 或空氣動(dòng)力（使用公制單位）= POUT（瓦特） = 空氣壓力（單位為 m3/秒）x 空氣流量（帕斯卡）

使用標(biāo)準(zhǔn)單位，公式變成：

POUT（瓦特）=（空氣壓力（英寸水柱）） x 空氣流量 (cfm))/8.5

（公式來源： NMB Technologies）

強(qiáng)制氣流選項(xiàng)

現(xiàn)在我們?cè)倏匆恍╋L(fēng)扇，開發(fā)它們的目的是將 LED 結(jié)溫保持在最佳水平。 Sunon 的 LED 冷卻模塊 LA004-024A83DY 的效率比被動(dòng)式冷卻高四倍（圖 2）。該風(fēng)扇使用了獲得專利的 DR MagLev（磁懸浮）電機(jī)，可消除典型風(fēng)扇電機(jī)通常存在的振動(dòng)和搖晃。MagLev 技術(shù)具有零摩擦的特性，因?yàn)檩S和軸承之間沒有接觸。Sunon 的風(fēng)扇還符合美國能源之星噪聲標(biāo)準(zhǔn) MR16，在 12 英寸水柱壓力下測(cè)量的噪聲水平不允許超過 24 dBA。該風(fēng)扇重量為 194 克，轉(zhuǎn)速為 2200 rpm (+/- 10 %)，整體尺寸僅為 86 x 45.4 mm，功耗僅為 0.26 瓦特。

圖 2： Sunon 的 MagLev 風(fēng)扇的功耗僅為 0.26 瓦特，運(yùn)行時(shí)的噪聲僅為 17 dBA。（圖片來源： Sunon Fans）

Sunon 的 MagLev 風(fēng)扇產(chǎn)品的所有主要部件均采用塑料制成，以提供最佳的絕緣電阻和靜電放電 (ESD) 性能。該風(fēng)扇具有足夠的靈活性，能夠在較小空間內(nèi)安裝，預(yù)期使用壽命通常為 50,000 小時(shí)。在 60?C 的溫度和 65% 的相對(duì)溫度下，它們的平均無故障時(shí)間 (MTTF) 為 70,000 小時(shí)。

Aavid Thermalloy 的 SynJet 冷卻產(chǎn)品采用了另一種主動(dòng)式冷卻技術(shù)，也是專為 LED 模塊和陣列設(shè)計(jì)的，它使用振蕩薄膜片來產(chǎn)生通過散熱器片的恒定氣流。這種無風(fēng)扇的吹風(fēng)裝置帶有能夠“呼吸”的柔性薄膜片。它緩慢吸入空氣，然后再快速排出空氣，吹過散熱器片，形成高效的對(duì)流冷卻。

在工作時(shí)，它使用電磁致動(dòng)器，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，讓薄膜振蕩。隨著薄膜在腔體內(nèi)部振蕩，將在腔體周圍的噴嘴處產(chǎn)生合成射流。這些氣流湍流的快速脈沖（通常是每秒 30 至 200 個(gè)脈沖）會(huì)增加從熱源散發(fā)的熱量，而只需較少的空氣，讓 75 W 和 100 W LED 白熾燈能夠替換。

例如，SynJet Cooler 型號(hào) SPARS-CM012-002 的用途是對(duì)射燈、聚光燈、軌道燈、吊燈和 PAR 30 燈具（或更?。┻M(jìn)行冷卻。它的最大熱功耗數(shù)據(jù)為 32 W，直徑為 75 mm，電源為 12 瓦特直流電，提供電平或 PWM 控制選擇。它的噪聲低至 18 dBA。

冷卻汽車 LED 頭燈

隨著技術(shù)繼續(xù)從奢華車型向主流汽車延伸，配備 LED 頭燈的汽車也日益普及。對(duì)于汽車頭燈，規(guī)定每盞燈必須達(dá)到 750 流明的亮度，因此需要多個(gè)具有高輸出的 LED 來滿足此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

在非常小的平面上產(chǎn)生高亮度，使得芯片承受了很高的局部熱應(yīng)力，LED 結(jié)溫可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 125?C 的最大值。即便在節(jié)能的 LED 頭燈中，由于有多個(gè) LED 芯片在燈殼內(nèi)部，必須達(dá)到的總散熱量高達(dá)數(shù)瓦特。除非模塊產(chǎn)生的廢熱能夠散發(fā)，否則芯片在冷卻良好環(huán)境中的 100,000 小時(shí)（11.4 年）使用壽命可能很快縮短到 15,000 至 30,000 小時(shí)。

法規(guī)要求最新 LED 頭燈僅作為自足式裝置提供。即便只有一個(gè) LED 發(fā)生故障，整個(gè)頭燈也必須更換，因?yàn)闊o法進(jìn)行單個(gè) LED 組件的更換。因此，整個(gè)冷卻系統(tǒng)必須放置在頭燈殼內(nèi)部（圖 3）。由于頭燈內(nèi)部的空間狹小，散熱器的尺寸受限，因而減小了空氣對(duì)流散熱。

圖 3： 由于 LED 頭燈必須是自足式裝置，整個(gè)冷卻系統(tǒng)必須放置在頭燈殼內(nèi)部。（圖片來源： ebm-papst）。

設(shè)計(jì)人員還必須考慮到各種氣候因素，包括濕度、含鹽量和所有空中懸浮顆粒。內(nèi)置在頭燈中的風(fēng)扇可以準(zhǔn)確地將風(fēng)吹到必須散熱的區(qū)域，或者需要空氣的區(qū)域。

后一種情況的示例是當(dāng)濕氣在非密閉式的頭燈殼中聚集時(shí)，會(huì)在反射鏡和鏡頭上冷凝。與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝啾龋捎趶U熱水平較低，如果空氣對(duì)流到燈殼中，這些濕氣只會(huì)蒸發(fā)，除了主要的冷卻功能之外，風(fēng)扇也可以承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)。

因此，對(duì)于汽車頭燈應(yīng)用，我們需要在封閉環(huán)境中能夠耐受振動(dòng)、沖擊、極端溫度的設(shè)計(jì)堅(jiān)固的風(fēng)扇。典型工作溫度范圍要求是在 -40°C 至 +120°C 之間。

ebm-papst 工程師接受了這一挑戰(zhàn)，他們開發(fā)了 DC 軸流風(fēng)扇型號(hào) 622M。這些風(fēng)扇具有緊湊堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于滿足 LED 頭燈技術(shù)的需求。它的重量為 0.085 公斤，尺寸為 60 x 60 x 25 mm，轉(zhuǎn)速為 4550 RPM，在 40°C 溫度下的使用壽命為 77,500 小時(shí)，在最高溫度下的使用壽命為 30,000 小時(shí)。

與在其他大多數(shù)照明系統(tǒng)中相同，在汽車中，冷卻風(fēng)扇也必須最大程度降低噪聲水平。要記住，ebm-papst 的設(shè)計(jì)人員將 622M 型號(hào)風(fēng)扇放置在封閉聲學(xué)隔離環(huán)中，將凈噪聲減少至 7 dB 之下。相比之下，安靜辦公室中的背景噪聲通常大約為 40 dB，中等降雨的噪聲為 50 dB，人通常聽不到 12 dB 以下的聲音。

結(jié)論

強(qiáng)制氣流冷是進(jìn)行 LED 熱管理的一種有效方式。特別是對(duì)于高亮度 LED，主動(dòng)式冷卻具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括減小燈具尺寸、降低整體成本、增加光輸出、延長(zhǎng) LED 使用壽命。