LED在營銷材料中經(jīng)常被描述為“冷”照明，并且實際上LED是觸摸涼爽的，因為它們通常不以紅外（IR）輻射的形式產(chǎn)生熱量。另一方面，LED在二極管半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生熱量（除了光子之外），并且該熱量必須通過傳導(dǎo)和對流離開系統(tǒng)。因此，燈具設(shè)計人員必須意識到潛在的散熱挑戰(zhàn)以及這些挑戰(zhàn)如何影響LED性能，壽命，甚至燈泡安全性。

高溫結(jié)溫已被證明會導(dǎo)致LED產(chǎn)生更少的光（流明輸出）和較低的正向電壓。隨著時間的推移，較高的結(jié)溫也可能顯著加速芯片退化，在常規(guī)使用期間可能會增加75％，從大約100°C增加到135°C。

工程師和材料科學(xué)家已經(jīng)和正在開發(fā)新的LED相關(guān)熱管理解決方案，包括改進的驅(qū)動器，隔膜驅(qū)動的強制對流方法，更好的散熱器，甚至引入石墨泡沫作為冷卻介質(zhì)。本文將首先介紹三種結(jié)溫考慮因素 - 基本熱阻，功耗和結(jié)溫測量 - 然后簡要介紹上述每種改進LED熱管理方法的進展。

結(jié)溫注意事項

在考慮LED熱管理時，通常有三個因素會影響結(jié)溫。這些是環(huán)境空氣溫度，LED結(jié)與周圍環(huán)境之間的熱路徑（當(dāng)然，熱路徑應(yīng)優(yōu)化以促進自然熱對流）和LED的效率。

環(huán)境溫度將因應(yīng)用而異，因此燈具設(shè)計師需要關(guān)注如何在現(xiàn)實環(huán)境中使用設(shè)計。例如，幾年前，倫斯勒理工學(xué)院的照明研究中心和固態(tài)照明系統(tǒng)與技術(shù)聯(lián)盟在各種露天，半通風(fēng)和封閉環(huán)境中試驗了LED。在封閉環(huán)境中，12瓦LED的電路板溫度達到60°C，26瓦LED電路板溫度升至119°C。

就效率而言，LED效率會因幾個因素而異一些設(shè)備將高達80％ - 或者甚至更多 - 的輸入電能轉(zhuǎn)換為熱量。隨著LED功率的增加，效率變得更加重要。例如，當(dāng)LED主要用作指示燈時，電流水平僅為幾毫安，而數(shù)百毫安或甚至安培在當(dāng)今應(yīng)用中變得司空見慣。

測量熱阻，功耗和結(jié)點溫度

在與XLamp XR系列LED相關(guān)的優(yōu)秀應(yīng)用筆記中，Cree提供了有關(guān)如何測量LED熱阻，功耗和結(jié)溫的建議。兩點之間的熱阻（通常以攝氏度/瓦為單位測量）可以被認為是“溫度差與耗散功率之比”。該比率應(yīng)計算LED結(jié)點與熱觸點或焊點的關(guān)系，該熱觸點或焊點通常位于LED封裝的底部，以及與環(huán)境的熱接觸。這些測量值的總和代表整個LED的熱阻。

根據(jù)Cree的說法，功率消耗“是正向電壓和LED正向電流的乘積。”為了確保器件的良好壽命，良好的效率和適當(dāng)?shù)腖ED顏色，結(jié)溫必須保持在指定的頻帶內(nèi)。結(jié)溫（Tj）可以通過將LED的總熱阻（R）和功耗（Pd）的乘積與環(huán)境溫度（Ta）相加來計算。

Tj =（R×Pd） + Ta

改進的LED驅(qū)動器和溫度傳感器

由于電氣特性（例如LED的正向電壓）會隨溫度漂移，因此在設(shè)計驅(qū)動器電路時必須考慮到這一點。因此，LED驅(qū)動器處于LED熱管理的第一線。例如，美國國家半導(dǎo)體公司或德州儀器公司等制造商正在開發(fā)和生產(chǎn)LED驅(qū)動器和伴隨溫度傳感器，它們協(xié)同工作，根據(jù)LED的結(jié)溫曲線調(diào)整流向LED的電流。溫度傳感器設(shè)計有足夠的余量，能夠檢測到過熱問題，同時在正常工作溫度下不會觸發(fā)誤報。

LED驅(qū)動器通常還采用熱關(guān)斷故障保護因此，如果驅(qū)動器超過指定溫度，通常為125°C至150°C，它們將與LED一起關(guān)閉。駕駛員作為熱管理器的方法也可以與占用監(jiān)控解決方案相結(jié)合，當(dāng)在一個未占用的房間中打開LED或者房間的自然光照明在一天中發(fā)生變化時，該解決方案將降低LED的流明輸出。

改善散熱器

如果沒有良好的散熱，LED的結(jié)溫會升高，這會導(dǎo)致LED特性發(fā)生變化。散熱器試圖將熱量從LED傳遞到空氣中，空氣作為一種更加流動的介質(zhì)，可以自然地將熱量從LED中移開，從而有助于保持結(jié)溫更低。在考慮任何散熱器燈具時，設(shè)計人員應(yīng)考慮散熱器的表面積，空氣動力學(xué)，熱傳遞和安裝（包括平面度）。

通常，熱傳遞發(fā)生在散熱器的各種散熱片表面上，因此由于更多的翅片或更大的整體物理尺寸，具有更大表面積的散熱器應(yīng)該將更多的熱量從LED移開。然而，總的來說，散熱器也應(yīng)該是空氣動力學(xué)的，以便加熱的空氣可以快速自由地移動，因此具有許多小而密集的散熱片的散熱器實際上可能阻礙空氣流動并破壞具有更大表面積的預(yù)期優(yōu)勢。

作為進一步的考慮，表面積和翅片厚度之間應(yīng)該保持平衡，因為與相對較薄的翅片相比，思想翅片傾向于提供優(yōu)異的熱傳遞。因此，如果散熱器制造商使用厚鰭片增加熱傳遞速率，則總表面積會有成本。最后，散熱器和LED之間的接觸點應(yīng)盡可能平坦，如果LED和散熱器安裝之間有空間，則熱路徑不會那么直接。

要解決的問題。新加坡制造技術(shù)研究所的研究人員提出了一種新的散熱片制造方法，稱為液體鍛造，對表面積，空氣動力學(xué)，熱傳遞，甚至安裝平整度提出了各種要求。這種技術(shù)允許采用非常復(fù)雜幾何形狀的無孔散熱器設(shè)計，專門用于增加氣流而不會放棄過多的表面積。

據(jù)研究人員稱，“液體鍛造是一種創(chuàng)新的混合鑄造和成型工藝[其中]將熔融金屬/合金澆注到模腔中并在凝固過程中在壓力下擠壓以在單一工藝中形成金屬部件。“

使用該方法制造的散熱器以及鋁合金與鋁合金的組合與更典型的商用擠壓，機加工和壓鑄散熱器相比，銅基具有更好的熱性能（導(dǎo)熱率約為其四倍）。

該技術(shù)還可以實現(xiàn)更復(fù)雜的散熱片和針腳設(shè)計可以通過熱質(zhì)量和表面積之間的更好平衡來潛在地改善熱對流。由液體鍛造產(chǎn)生的無孔表面消除了氣穴或其他氣流障礙物。當(dāng)然，在液態(tài)鍛造散熱器容易獲得之前仍有工作要做，但該技術(shù)很有前景。

另外，像Nuventix這樣的公司正在將散熱器設(shè)計和強制對流的改進結(jié)合起來。顯著增加通過散熱器的空氣流動。 Nuventix解決方案稱為SynJet。 SynJet使用振蕩膜片來產(chǎn)生高速脈沖和相當(dāng)湍流的氣流。該氣流在其尾流中吸入空氣，這被稱為夾帶，從而增加了在散熱器上移動的空氣量。根據(jù)Nuventix的說法，這種氣流也可以改善熱傳遞。

圖1：Nuventix SynJet顯著改善了氣流。

SynJet是在生產(chǎn)中，隨時可供燈具設(shè)計師使用。

用于冷卻的石墨泡沫

LED熱管理的另一項進展來自美國能源部的橡樹嶺國家實驗室，該實驗室已開發(fā)出石墨泡沫，可將LED燈吸收熱量，從而降低工作溫度10度以上。

這種特殊的LED熱管理技術(shù)的發(fā)展目標是大型戶外照明系統(tǒng)，例如市政當(dāng)局用于路邊燈或停車場和建筑物的企業(yè)。

泡沫石墨晶體結(jié)構(gòu)包含內(nèi)部氣穴和網(wǎng)狀韌帶的組合，以類似于更傳統(tǒng)的散熱器的方式從LED吸走熱量。石墨泡沫輕盈多孔，密度為25％，易于加工成散熱片，但純碳材料具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性（與傳統(tǒng)金屬散熱片相比）。

一些設(shè)計中已經(jīng)采用了技術(shù)，可能會引發(fā)對LED熱管理類似材料科學(xué)解決方案的研究。

總結(jié)

高溫會縮短LED的壽命并影響LED的亮度。研究表明，將工作溫度降低10度可使LED壽命延長一倍。因此，幾乎所有燈具都需要某種類型的散熱器或其他熱管理技術(shù)。本文研究了結(jié)溫，討論了如何測量熱阻和功耗，并提出了幾種降低LED工作溫度的解決方案。