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 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，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)在我們再看一些風(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（或更小）進(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?，由于廢熱水平較低，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 LED 使用壽命。