☆七 散熱器的設計

　　要談到散熱器，有一個概念先要搞清楚，就是導熱和散熱的區別。導熱就是要把熱量最快地從發熱源傳送到散熱器表面，而散熱則是要把熱量從散熱器表面散發到空氣中去。

　　首先要把熱最快的導出來，然后要最有效地散到空氣里去。因為不管采用什么方法散熱，最后還是只能把熱量散發到空氣中。而熱量的散發只有兩種途徑：對流和輻射。

　　7.1、對流散熱和輻射散熱

　　對于對流散熱來說，其基本公式如下：

　　Q = h·A·△T

　　其中Q為散去的熱量，h為熱對流系數，A為散熱器的散熱面積，△T為散熱器表面和附近空氣之間的溫度差。

　　更形象一點，可以用圖10來表示：

圖10. 基于對流的散熱量的計算

　　鰭片的散熱主要是靠對流和輻射，這其中對流是最重要的。這兩部分都取決于鰭片的總面積。面積越大，散熱效果越好。

　　然而，對流散熱則不完全取決于鰭片面積的大小，而且還和風力風向有關，在完全無風的狀態下，則和自然對流的阻力有關。

　　例如假如為了防塵和防鳥屎堆積，鰭片朝下安裝，那么鰭片兩端不能堵住，而且燈具要么向下傾斜要么向上傾斜，可以讓熱空氣能夠順暢地流動。

　　熱輻射的散熱公式為“Q =E×S×F×Δ(Ta-Tb)”。

　　公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體表面的熱輻射系數。在實際中，當物質為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數比較小，而把金屬表面進行處理后(比如發黑)其表面熱輻射系數值就會提升。

　　塑料或非金屬類的熱輻射系數值大部分都比較高。

　　S是物體的表面積，F則是輻射熱交換的角度和表面的函數關系，但這里這個函數比較難以解釋。

　　Δ(Ta-Tb)則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。

　　因此熱輻射量和熱輻射系數、物體表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關系。絕對黑體的輻射系數為1。

　　熱輻射散熱也可以用另一個公式來表示：

　　熱輻射的散熱量[W]=5.67x10-8x輻射率x散熱器面積[m2]x(平均溫度+273)3x(溫度差)[°C]

　　熱輻射系數不但和材料有關，而且還和加工有關。各種材料在8-14微米的紅外輻射率如下表所示：

　　由表中可見，氧化處理是改進材料的輻射散熱的重要途徑。采用鑄鐵的暖氣片有相當一部分的散熱靠的是輻射散熱。而且塑料的熱輻射性能和氧化后的金屬差不多。

　　為了改進輻射散熱，鋁合金鰭片散熱器要進行發黑處理，但是有人是采用噴黑色塑膠漆的方法，這種方法雖然也使其表面變黑，但是實際上又加上了一層絕緣層，妨礙了它的散熱。最好的方法是采用陽極氧化發黑處理，這個氧化層可以做得很薄，不至于影響其散熱，但對輻射散熱有很大的改進。

　　總之，不管是對流還是輻射都是和散熱器的散熱面積成正比，所以要改善散熱一定要加大散熱器的面積。

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　　☆八 鰭片散熱器

　　散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對流散熱。散熱器的最重要指標就是它的散熱面積A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。在根部的散熱效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個有效散熱面積。它通常是實際面積的70%左右。

　　從經驗得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。

　　而散熱器的材料通常是用鋁合金，和銅相比，雖然其熱傳導只有銅的一半，但是它重量輕、易加工、價格便宜，所以還是廣泛地應用于散熱器之中。一種典型的散熱鋁合金型材如圖11所示。

圖11. 典型的鰭片鋁合金散熱器

　　為了加大散熱面積，通常會采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用會越來越小。圖12表明增加高度對于降低結溫的影響的一個例子。

圖12. LED結溫隨散熱器的高度增加而降低

　　由圖中可以看出，高度增加到40mm以后，結溫的降低就很慢了。

　　加大長度也是加大面積的一個方法。但是并不是長度越長越好。圖13表明了結溫和長度的關系。

圖13. 結溫和長度的關系

　　由圖中可知，長度增加到一定程度以后，結溫不但不再降低，反而會升高。這是因為空氣在沿長度方向的流動受到阻礙所致(主要對于垂直放置的鰭片為如此)。

　　所以對于散熱器來說，除了加大面積以外，如何加速空氣的對流是很重要的事，尤其是像LED路燈這類安裝在室外的路燈更為重要。由于室外的風向是不定的，為了在各種風向情況下都能有很好的對流，最好采用針狀鰭片散熱器(圖14)。但這也減小了其等效散熱面積很大的百分比。

圖14. 針狀散熱器

　　珠海南科首次把針狀散熱器應用至LED路燈中，據說這可以使LED的結溫降低15度以上，提高了LED的壽命。

　　路燈散熱器往往由于灰塵和鳥糞的積累而使其散熱效果大為降低，所以通常采用朝下安裝的方法來避免，但是這樣做又會使空氣對流的效果降低，因為熱空氣是向上流動的。通常要在安裝時有一個傾斜角來改善。

　　☆九 采用強制風冷散熱

　　目前幾乎絕大多數的LED燈具都是采用自然空氣對流來散熱的。然而，對流的散熱效果是和空氣的流速是有密切關系的。在一個15W的LED燈具中，如果采用強制風冷可以得到其LED的結溫和風速的關系如圖15所示。

圖15. LED結溫和風速的關系

　　在電腦的CPU中，從來都是采用小風扇的強制風冷系統來散熱的。那么在LED中能不能也采用風扇來散熱呢!

　　目前最大功率的LED燈具要算是LED路燈了。LED路燈和電腦最大的差別就是它是安裝在室外的十分惡劣的環境條件下的。如果采用風扇，那么這種風扇也必須能夠承受十分惡劣的環境條件。例如必須能夠防水、防潮、防塵，能夠承受高低溫的考驗，等等…而且它本身不能消耗很大的功率。

　　最近臺灣Sunon公司推出全球最小、最薄、耗電量最低的“毫米科技風扇與鼓風扇MightyMini Fan &Blower。并用于各種功率的LED燈具。

　　例如，應用于LED球泡燈，就可以突破9W的瓶頸限制而達到15W的水平。同時展示全新“One-module”概念所設計的LED散熱模塊，將LED燈具散熱模塊化，一款散熱模塊可應用于多款LED燈具，簡化客戶端的設計流程，預計推出可散熱7-15W、10-25W、25-40W幾種功率水平。

　　可應用于LED球燈、筒燈、MR16投射燈、LED軌道燈等各式LED應用產品的散熱。

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　　☆十 結束語

　　目前LED的發光效率還是比較低，從而引起結溫升高，壽命降低。為了降低結溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。LED的散熱設計必須從芯片開始一直到整個散熱器，每一個環節都要給于充分的注意。任何一個環節設計不當都會引起嚴重的散熱問題。

　　過去的LED路燈在長期工作中的大量失效，一半以上是散熱設計欠缺所引起，另一半是電源失效所引起。所以對散熱的設計必須給以充分的重視。

　　隨著LED的光效逐年提高，它的發熱問題也會逐漸降低。相信總有一天我們會看到不需要散熱器的LED燈具的出現!