擺脫光與熱技術(shù)障礙 LED路燈系統(tǒng)設計大躍進

　　因具備省電、節(jié)能以及環(huán)保的優(yōu)勢，LED燈源可望取代傳統(tǒng)燈源成為新世代路燈主流，惟目前市場產(chǎn)品良莠不一，光、機、電、熱等系統(tǒng)設計技術(shù)仍有待突破，其中，又以光、熱的技術(shù)難度最高，所幸現(xiàn)今技術(shù)瓶頸已有重大突破，將有助于日后路燈市場規(guī)模的加速擴大。

　　高油價、高電價時代，如何有效提高照明設備的效率已成為節(jié)能、減碳的重要工作。隨著LED的發(fā)光效率與壽命提升，讓原本只能做指示或輔助用途的LED燈逐漸拓展到一般照明，可達成提供夜間交通安全照明與維持夜間治安的路燈設施，提升整體市容，達到省電、節(jié)能以及環(huán)保的多功能性。

　　LED路燈質(zhì)量參差不齊

　　LED路燈必須受到高、低氣溫差異以及日曬雨淋的天氣考驗，有些產(chǎn)品安裝不到半年就故障。LED路燈良莠不齊，造成使用者信心不足，市場需求自然疲弱。有些專家認為，目前LED的發(fā)光效率與高壓鈉燈相較尚有差距，作為裝飾照明和部分環(huán)境照明用無虞；但若作為道路照明用，目前只適合院(園)區(qū)通道或次干道；同時作為功能性為主的道路照明(主干道)，尚有諸多技術(shù)問題有待克服，如散熱、二次光分布、均勻度等，因此目前尚不宜做主干道照明。

　　光/機/電/熱四大技術(shù)瓶頸待解

　　LED因為發(fā)光特性，輸入電能約有80%以上轉(zhuǎn)換成熱能必須排出，且LED晶粒屬半導體材料，因此不耐高溫，且發(fā)光效率會隨芯片溫度上升而降低，散熱變成LED路燈的首要考慮。其次，路燈應用須符合道路照明規(guī)范，依照區(qū)域與道路狀況的不同，分別會根據(jù)照度、照度均勻度等有不同的規(guī)定，因此光學的設計成為LED路燈第二大挑戰(zhàn)。其他如LED需要直流驅(qū)動，因此排列方式與電源供應器的選用都是技術(shù)重點，還有耐風壓、耐雷擊、耐震動等安全性考慮，都增加LED路燈設計困難性。

　　簡單來說，LED燈具就是要考慮熱、光、電、機四大部分?，F(xiàn)行市場上技術(shù)瓶頸最高的便是熱與光，以下將就此兩大技術(shù)部分進行討論。

　　借散熱機構(gòu)/被動散熱/組件解決散熱問題

　　LED芯片可承受的最高溫約為125～150℃。在LED路燈應用上，環(huán)境溫度可達35℃以上，甚至高溫區(qū)域40℃以上，若不能有效散熱(控制結(jié)點溫度)，LED的壽命將快速遞減。根據(jù)Cree的數(shù)據(jù)顯示(圖1)，若可將發(fā)光芯片結(jié)點溫度控制于65℃，LED的整體壽命將可達10萬小時(以光衰30%計算)。

數(shù)據(jù)源：Cree
圖1　LED壽命圖

　　LED燈從芯片開始發(fā)熱，至散熱裝置把熱散掉，整個熱傳示意圖如圖2。前段從LED芯片到LED底座與LED封裝設計有關(guān)，所以選擇耐溫的芯片、熒光粉、封裝材質(zhì)以及熱阻低的封裝設計便是首要要件，目前熱阻一般均可達10K/W以下，較好的技術(shù)已經(jīng)有達到5K/W的水平。而后段LED底座到空氣端則與散熱機構(gòu)有關(guān)。

圖2　LED簡易熱傳示意圖

　　大功率LED的散熱機構(gòu)一般有幾種形式：

　　? 主動散熱
　　加裝風扇強制散熱、水冷散熱技術(shù)、半導體制冷芯片。

　　? 被動散熱
　　自然散熱、熱管加鰭片、均溫板加鰭片、回路熱管技術(shù)等。

　　以路燈應用來說，戶外安裝風扇穩(wěn)定性會有問題，水冷式散熱與半導體制冷芯片則因為須要額外付出更多電力散熱，且散熱端亦須要另外結(jié)構(gòu)散熱，在LED路燈應用上，嚴苛的戶外環(huán)境應避免這樣的設計。以下將分析被動散熱形式的原理和相關(guān)比較。

　　? 自然散熱
　　自然散熱利用熱傳導、熱對流以及熱輻射作為基本的散熱原理。主要系利用熱傳導將熱導到燈具外壁面，再藉由燈具表面積或鰭片與周圍空氣的對流散熱和對周圍物體的輻射散熱(圖2)。

　　? 熱管加鰭片
　　熱管的傳熱現(xiàn)象，利用物質(zhì)相變化時，可吸收或散發(fā)高熱能的現(xiàn)象，因此使得熱管為具備極高的熱傳效率之設備。一般熱管仍須在冷凝端加鰭片散熱，已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，多應用于計算機類設備中。
　　? 均溫板加鰭片
　　均溫板與熱管的原理與理論架構(gòu)相同，只有熱傳導的方向不相同，熱管的熱傳導方式是一維的，是線的熱傳導方式，而均溫板的熱傳導方式是二維的，是面的熱傳導方式。
　　? 回路熱管散熱
　　當熱量從蒸發(fā)器傳至回路熱管內(nèi)的工作介質(zhì)，工作介質(zhì)吸收熱量后蒸發(fā)流向冷凝器，釋放熱量冷凝后，再藉由蒸發(fā)器內(nèi)多孔材料的毛細力，重新回到蒸發(fā)器，重復循環(huán)。

　　在被動散熱的原件中，回路熱管恰好補足熱管與均溫板無法遠距離熱傳這一塊，可將熱導至較遠或較容易散熱的地方。

　　回路熱管技術(shù)原本應用于太空科技、人造衛(wèi)星等，在LED照明是一項新嘗試，原理如圖3(A)，應用示意如圖3(B)，散熱管可利用燈殼散熱，不須多加裝鰭片，若考慮美觀，可將散熱管繞置于燈殼內(nèi)部。

圖3　(A) 回路熱管示意圖 (B)回路熱管LED燈具應用示意圖

　　散熱組件基本上只是一個工具，沒有真正所謂的優(yōu)劣之分，重要的乃是利用這些工具達到優(yōu)化應用散熱之目的。下列將針對上述散熱機構(gòu)在LED路燈上應用作相關(guān)比較。
　　? 自然散熱
　　優(yōu)點為散熱成本最低、結(jié)構(gòu)最簡單，較偏向于小瓦數(shù)散熱，如MR16的應用。
　　市場上以自身結(jié)構(gòu)本體散熱方式的LED路燈產(chǎn)品，多為100瓦以下的產(chǎn)品，乃利用LED燈珠排放密度低的方式，克服熱通量過高的問題，但松排列卻產(chǎn)生光學上可能有多重影像的現(xiàn)象。
在實際應用上，若燈具利用鰭片散熱(鰭片外露于大氣中)，應特別注意落塵或其他異物等積累于鰭片上，以至于造成散熱效果降低，影響LED壽命。
　　? 熱管加鰭片
　　目前市場較成熟的熱管技術(shù)，一般單支直徑6毫米的圓管熱管便可解決約40～50瓦的熱量，考慮折彎、打扁效率的折損，一支熱管約可解決30～40瓦左右的熱量。
以一個100瓦的燈具來說，約三支熱管便可將熱帶出LED模塊，接著導至鰭片散熱。針對高瓦數(shù)如100瓦以上的LED路燈產(chǎn)品，此為較合理、成本較低廉的解決方式。此散熱方式為目前LED路燈市場上的大宗。
　　? 均溫板加鰭片
　　均溫板最大的優(yōu)點是解決高熱通量的散熱，或是解決突擴熱阻，將不易散熱的點熱源，拓展成較易散熱的面熱源，如圖4業(yè)界所做的模擬比較。圖中左以單純鋁板加鰭片、中為三根熱管加鰭片、右為均溫板加鰭片，整個溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，當熱源在整個散熱模塊的右方時，三根熱管加鰭片很明顯優(yōu)于單純鋁板加鰭片，但若利用均溫板，很明顯的溫度分布更佳，熱阻也從0.61K/W再降至0.54K/W。這是強調(diào)傳熱的均勻性，以確定鰭片的利用率。

圖4　鋁板、熱管與均溫板之散熱模擬比較

　　均溫板加鰭片的散熱方式最大的限制是，熱管可以把熱往水平或垂直方向傳遞，但均溫板僅能往垂直方向傳遞，便造成在燈具外型設計上的限制(圖5)。目前市場上利用此散熱方式的廠家并不多，應用的方式為六至八顆LED為一模塊，以多模塊組合成大瓦數(shù)的LED路燈。

圖5　均溫板與熱管熱傳方式之比較

　　? 回路熱