LED 元器件及其驅動電子元件會產(chǎn)生很多熱量，必須進行散熱，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式冷卻足以滿足典型 LED 應用需求，但高亮度、高功率的 LED 燈具還是應該考慮采用主動式冷卻。

主動式強制氣流冷卻會提高燈具的復雜度，但在 LED 燈具的使用壽命和性能方面，它具有很大優(yōu)勢，遠遠超出這些缺點。

本文將討論發(fā)熱和 LED 性能之間的關系。然后，本文將介紹兩種強制氣流冷卻模塊：一種使用風扇，另一種使用合成射流。最后，我們還將討論汽車應用中的強制氣流 LED 冷卻實例。

發(fā)熱如何影響 LED 性能

必須盡可能讓 LED 保持冷卻，有三個主要原因。第一個原因與 LED 的輻射功率相關，該功率會發(fā)生變化，與結溫存在函數(shù)關系。更高的環(huán)境溫度會導致更高的結溫。隨著結溫升高，LED 的正向電壓和流明輸出都會下降（圖 1）。

圖 1： 紅色、藍色、磷光體轉換白色 LED 的相對光輸出，與結溫存在函數(shù)關系。（圖片來源： 倫斯勒理工學院；數(shù)據(jù)基于 Lumileds LED，并將 25°C 結溫下的光輸出標準化為 100%）。

第二，LED 在最大額定結溫范圍內工作，可能觸發(fā)各種應力機制，將大幅縮短 LED 壽命。第三，高結溫會降低 LED 的顯色指數(shù) (CRI)。CRI 是一項基于客觀行業(yè)標準來衡量顏色“真實度”的技術指標。

當然，良好的熱管理還有其他一些優(yōu)點。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，減少達到特定亮度所需使用的 LED 數(shù)量。

被動式與主動式冷卻

大多數(shù)情況下，設計人員可選擇被動式或主動式冷卻。被動式冷卻使用自然空氣導熱和對流，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 燈具進行散熱。即便散熱器是專門針對此應用設計的，設計人員也會發(fā)現(xiàn)它體積過大，成本昂貴，在機械方面不便于操控。

為了針對高流明應用有效進行設計，我們可能需要主動式冷卻系統(tǒng)，以擴散 LED 元器件和驅動電子元件產(chǎn)生的熱量。除了散熱器之外，主動式冷卻還包括一個子系統(tǒng)，通常為風扇，可強制空氣吹過散熱器。

主動式冷卻的一大優(yōu)點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，并且縮小整個系統(tǒng)的尺寸。它還讓改造更具可行性。

主動式冷卻的理想目標應用是板上芯片 (COB) LED，它包括多個 LED，安裝在同一個 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，并為強制氣流、對流冷卻的散熱器和風扇組件提供更多操作便利性。用于 COB 器件時，主動式冷卻風扇可以有效地將溫度降至 90?F/36?C，遠低于典型 COB 器件的工作溫度閾值 120?C。

強制氣流模塊選擇考慮因素

為冷卻 LED 而設計的風扇必須具有極低耗電量，可在很小的空間內安裝，預期使用壽命至少與電燈本身相當（現(xiàn)代風扇工作原理提供的使用壽命達到數(shù)十萬小時）。風扇可以強制空氣進入系統(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。軸流風扇很常用，空氣在同一個軸向上進入和離開。

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

主動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。風扇葉片的效率會發(fā)生變化，與氣動負載存在函數(shù)關系。軸流風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出現(xiàn)。為按照輸入功率與輸出功率的比率來計算風扇效率，可使用以下公式推導：

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

風扇輸出功率 (POUT) 或空氣動力（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）

使用標準單位，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）

強制氣流選項

現(xiàn)在我們再看一些風扇，開發(fā)它們的目的是將 LED 結溫保持在最佳水平。 Sunon 的 LED 冷卻模塊 LA004-024A83DY 的效率比被動式冷卻高四倍（圖 2）。該風扇使用了獲得專利的 DR MagLev（磁懸?。╇姍C，可消除典型風扇電機通常存在的振動和搖晃。MagLev 技術具有零摩擦的特性，因為軸和軸承之間沒有接觸。Sunon 的風扇還符合美國能源之星噪聲標準 MR16，在 12 英寸水柱壓力下測量的噪聲水平不允許超過 24 dBA。該風扇重量為 194 克，轉速為 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 風扇的功耗僅為 0.26 瓦特，運行時的噪聲僅為 17 dBA。（圖片來源： Sunon Fans）

Sunon 的 MagLev 風扇產(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。該風扇具有足夠的靈活性，能夠在較小空間內安裝，預期使用壽命通常為 50,000 小時。在 60?C 的溫度和 65% 的相對溫度下，它們的平均無故障時間 (MTTF) 為 70,000 小時。

Aavid Thermalloy 的 SynJet 冷卻產(chǎn)品采用了另一種主動式冷卻技術，也是專為 LED 模塊和陣列設計的，它使用振蕩薄膜片來產(chǎn)生通過散熱器片的恒定氣流。這種無風扇的吹風裝置帶有能夠“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，形成高效的對流冷卻。

在工作時，它使用電磁致動器，產(chǎn)生驅動力，讓薄膜振蕩。隨著薄膜在腔體內部振蕩，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 個脈沖）會增加從熱源散發(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 SPARS-CM012-002 的用途是對射燈、聚光燈、軌道燈、吊燈和 PAR 30 燈具（或更?。┻M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。對于汽車頭燈，規(guī)定每盞燈必須達到 750 流明的亮度，因此需要多個具有高輸出的 LED 來滿足此項標準。

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力，LED 結溫可能遠遠超過 125?C 的最大值。即便在節(jié)能的 LED 頭燈中，由于有多個 LED 芯片在燈殼內部，必須達到的總散熱量高達數(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（11.4 年）使用壽命可能很快縮短到 15,000 至 30,000 小時。

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 LED 發(fā)生故障，整個頭燈也必須更換，因為無法進行單個 LED 組件的更換。因此，整個冷卻系統(tǒng)必須放置在頭燈殼內部（圖 3）。由于頭燈內部的空間狹小，散熱器的尺寸受限，因而減小了空氣對流散熱。

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

設計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。內置在頭燈中的風扇可以準確地將風吹到必須散熱的區(qū)域，或者需要空氣的區(qū)域。

后一種情況的示例是當濕氣在非密閉式的頭燈殼中聚集時，會在反射鏡和鏡頭上冷凝。與傳統(tǒng)的鹵素燈相比，由于廢熱水平較低，如果空氣對流到燈殼中，這些濕氣只會蒸發(fā)，除了主要的冷卻功能之外，風扇也可以承擔這項任務。

因此，對于汽車頭燈應用，我們需要在封閉環(huán)境中能夠耐受振動、沖擊、極端溫度的設計堅固的風扇。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 軸流風扇型號 622M。這些風扇具有緊湊堅固的優(yōu)點，特別適用于滿足 LED 頭燈技術的需求。它的重量為 0.085 公斤，尺寸為 60 x 60 x 25 mm，轉速為 4550 RPM，在 40°C 溫度下的使用壽命為 77,500 小時，在最高溫度下的使用壽命為 30,000 小時。

與在其他大多數(shù)照明系統(tǒng)中相同，在汽車中，冷卻風扇也必須最大程度降低噪聲水平。要記住，ebm-papst 的設計人員將 622M 型號風扇放置在封閉聲學隔離環(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。

結論

強制氣流冷是進行 LED 熱管理的一種有效方式。特別是對于高亮度 LED，主動式冷卻具有諸多優(yōu)點，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。