擺脫光與熱技術(shù)障礙 LED路燈系統設計大躍進(jìn)

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

　　高油價(jià)、高電價(jià)時(shí)代，如何有效提高照明設備的效率已成為節能、減碳的重要工作。隨著(zhù)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(chǎng)需求自然疲弱。有些專(zhuān)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(wú)虞；但若作為道路照明用，目前只適合院(園)區通道或次干道；同時(shí)作為功能性為主的道路照明(主干道)，尚有諸多技術(shù)問(wèn)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(huì )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范，依照區域與道路狀況的不同，分別會(huì )根據照度、照度均勻度等有不同的規定，因此光學(xué)的設計成為L(cháng)ED路燈第二大挑戰。其他如LED需要直流驅動(dòng)，因此排列方式與電源供應器的選用都是技術(shù)重點(diǎn)，還有耐風(fēng)壓、耐雷擊、耐震動(dòng)等安全性考慮，都增加LED路燈設計困難性。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LED燈具就是要考慮熱、光、電、機四大部分?，F行市場(chǎng)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(jìn)行討論。

　　借散熱機構/被動(dòng)散熱/組件解決散熱問(wèn)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，甚至高溫區域40℃以上，若不能有效散熱(控制結點(diǎn)溫度)，LED的壽命將快速遞減。根據Cree的數據顯示(圖1)，若可將發(fā)光芯片結點(diǎn)溫度控制于65℃，LED的整體壽命將可達10萬(wàn)小時(shí)(以光衰30%計算)。

數據源：Cree
圖1　LED壽命圖

　　LED燈從芯片開(kāi)始發(fā)熱，至散熱裝置把熱散掉，整個(gè)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有關(guān)。

圖2　LED簡(jiǎn)易熱傳示意圖

　　大功率LED的散熱機構一般有幾種形式：

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

　　? 被動(dòng)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(lái)說(shuō)，戶(hù)外安裝風(fēng)扇穩定性會(huì )有問(wèn)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構散熱，在LED路燈應用上，嚴苛的戶(hù)外環(huán)境應避免這樣的設計。以下將分析被動(dòng)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?chē)諝獾膶α魃岷蛯χ車(chē)矬w的輻射散熱(圖2)。

　　? 熱管加鰭片
　　熱管的傳熱現象，利用物質(zhì)相變化時(shí)，可吸收或散發(fā)高熱能的現象，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(lèi)設備中。
　　? 均溫板加鰭片
　　均溫板與熱管的原理與理論架構相同，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(xiàn)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)器內多孔材料的毛細力，重新回到蒸發(fā)器，重復循環(huán)。

　　在被動(dòng)散熱的原件中，回路熱管恰好補足熱管與均溫板無(wú)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(guān)，可將散熱管繞置于燈殼內部。

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(gè)工具，沒(méi)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在LED路燈上應用作相關(guān)比較。
　　? 自然散熱
　　優(yōu)點(diǎn)為散熱成本最低、結構最簡(jiǎn)單，較偏向于小瓦數散熱，如MR16的應用。
　　市場(chǎng)上以自身結構本體散熱方式的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(guò)高的問(wèn)題，但松排列卻產(chǎn)生光學(xué)上可能有多重影像的現象。
在實(shí)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(chǎng)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(gè)100瓦的燈具來(lái)說(shuō)，約三支熱管便可將熱帶出LED模塊，接著(zhù)導至鰭片散熱。針對高瓦數如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(chǎng)上的大宗。
　　? 均溫板加鰭片
　　均溫板最大的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)溫度分布可以發(fā)現，當熱源在整個(gè)散熱模塊的右方時(shí)，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(chǎng)上利用此散熱方式的廠(chǎng)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的LED路燈。

圖5　均溫板與熱管熱傳方式之比較

　　? 回路熱