Ｉ丝一 研发展…………………………一 嵌入式大功率ＬＥＤ的散热技术研究进展 苏州大学机电＿Ｔ－程学院诺光照明（苏州）有限公司 侯金美 苏州大学机电工程学院石世宏 【摘要】发光二极管（ｕｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）是公认的新一代光源，具有长寿命、节能环保、高可靠性的优点。但ＬＥＤ在工作过程中会产生大量的热量，如果无法有 效散发出去将严重影响其性能。尤其对于当前研究热点的嵌入式大功率ＬＥＤ灯具，散热问题更加严峻，已成为制约该领域研究的瓶颈之一。目前常用的散热方式分为被动 散热和主动散热两种，本文将对这两种散热方式的研究进行简介，希望对人们了解该领域的研究有所帮助。 【关键词】大功率ＬＥＤ；散热技术 Ｂａｒ－Ｃｏｈｅｎ等人提出了一个可用来评估板 界的初始温度差为２到７Ｏ℃。实验结果显示辐 相比于传统的荧光灯或高强度气体放电 翅结构散热效率的分析框架 。基于已知的 射散热占到总的热量传输的２５％￣ｒＪ４０％。 等，发光二极管（１ｉｇｈｔ—ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ， 平行板和单个竖向翅之间的热量传输关系， ２．３烟囱效应增强热传输 烟囱效应，是指器件内部空气沿着有垂 ＬＥＤ）被认为是新一代的高效光源。原料上来 他们建立了总的热量传输效率与结果几何参 １．简介 说ＬＥＤ是由Ｐ型半导体（空穴型）和ｎ型半导体 （电子型）半导体结合形成的Ｐ—ｒｌ结二极管。 当ＬＥＤ两端被施加上电压后，电子和空穴相 向运动，通过复合从而产生光子…。在这个 过程中，同时发生有两种能量转换过程：辐 射型复合和非辐射型复合。辐射型复合将部 分的电能转换为光子的形式发出，而非辐射 型复合将电能转换为热能。尽管非辐射型复 合并非一个我们想要的过程，但却是不可避 免的。这主要是因为半导体材料的晶体结构 中总是难免会存在各种缺陷。据统计，在ＬＥＤ 中，约７５％－８５％的电能将被转换为需要传导并释 放到外界的热能 ｎ 。相比于传统光源，这个比 例是很高的。 ＬＥＤ是一个温度敏感型器件，如果热能 不能有效散发出去，结温（ｐ－ｎ结温度）的 升高将严重影响ＬＥＤ各方面的性能，如光通 量、光色（波长）、光效、ＬＥＤ寿命、色温、 光形（配光）、以及正向电压、最大注入电 流等。据统计，结温每升高ｌＯ℃，ＬＥＤ的寿 命就会减半 。ＬＥＤ芯片本身的散热能力非常 有限，热能只能通过热传导的方式传递到外 部。随着科技的发展，ＬＥＤ光源的功率越来越 大，散热问题也越来越严峻。而所谓大功率 ＬＥＤ，目前没有统一标准，通常认为功率大于 １ｗ即属于大功率ＬＥＤ。ＬＥＤ光源的散热能力也 随着光源的应用场景而发生变化。对于室内 照明来说，嵌入式筒灯是最常用的形式。目 前嵌入式大功率ＬＥＤ应用上的一个关键技术瓶 颈就是散热问题。本文将综述嵌入式大功率 ＬＥＤ光源散热技术的最新研究进展，希望对这 一领域的研究能有所帮助。 ２．被动散热技术 ２．１自然对流冷却 自然对流冷却技术作为廉价有效的散热 技术而被人们广泛研究。自然对流冷却技术 多使用翅式结构进行散热。大部分的散热研 究的重点在于理解翅式结构几何参数对热量 传递的影响，以及通过优化几何参数来最大 化热量传递。翅式结构分为板翅结构和钉翅 结构两种。 ２．１．１板翅式散热 板翅式散热结构作为最常见的散热方 式之一被人们广泛的研究。Ｇｕｖｅｎｃ等人通过 实验研究了竖向结构的板翅散热结构内部的 热量传输特性 。其得到的一些重要结论如 下： （１）热量传输效率随翅的高度增加而增 加： （２）当翅间距扩大，翅高度对热量传输 效率的影响减小。 一１５４一奄子世界 数之间的关系。结果给出了翅间最佳间距， ２．１．２钉翅式结构 钉翅结构也是一种常见的自然对流散热 结构，Ｚｏｇｒａｆｏｓ等人通过实验研究了钉翅结 构散热的影响因素，如翅的分布、倾斜度、 翅的直径与中心间距的比例等 Ｊ。实验结果 显示： （１）翅的直径与中心间距的比例是最重 要的影响因素，最佳的热量传输效率出现在 这个比例大约为０．３３的时候； （２）热量传输效率与翅的倾斜度关系并 不大： （３）翅的直线排列时的热量传输效率比 翅交错排列时高约２０％。 Ｂａｈａｄｕｒ等人研究了聚合物钉翅散热结 构的散热效率。实验中的散热结构由高热导 率的聚亚苯基硫化物制成，翅呈交错状排列 …。他们研究了翅的高度、翅的直径、翅间 距、翅密度等对热量传输效率的影响。实验 结果给出了热量传输效率与钉翅散热结构参 数的关系式，并显示最大的热量传输效率出 现在翅直径与翅中心间距比例约为ｌ时。 自然对流方式是目前ＬＥＤ灯具常用的散 热方式，优点是成本低廉，不需要通风机或 泵等额外的散热设备。但对于大功率的ＬＥＤ 灯具，自然对流散热方式的效率仍然有所欠 缺，因此需要与其他方式进行结合或使用更 高效率的散热方式。 ２．２辐射增强散热 辐射通常被认为在一些高温的应用中发 挥作用。但更多的研究显示在一些中等温度 的情况下也可以发挥重要作用。将自然对流 散热与辐射散热进行结合以提高板翅散热结 构和钉翅结构的热量传输效率也在大功率ＬＥＤ 灯具的散热研究中占据重要地位。 ２．２．１辐射增强板翅式散热结构 Ｒａｏ等人通过实验研究了将辐射散热与 板翅式结构进行结合的散热方式 。他们系 统研究了翅表面的辐射系数、翅间距、翅高 度、基础温度等对热量传输效率的影响。研 究结果显示，当辐射系数从０．０５增２ＤＮ０．８５ 时，大约有４０％更多的热量从翅的表面散发到 外界环境中。 ２．２．２辐射增强钉翅式散热结构 Ｓｐａｒｒｏｗ等人通过实验研究了辐射增强型 钉翅结构散热结构的散热影响因素，其中重点 研究了钉翅的倾斜方向对热量传输效率的影响 ］。实验中，散热结构用的铝制的钉翅，长 度为２．５４厘米，直径为Ｏ．６３５厘米。这些钉翅 呈交错状排列，并经过阳极化处理，使得其 辐射效率为０．８２。实验中，ＬＥＤ灯具内部与外 直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强 对流的现象。在实际应用中，烟囱效应也被 广泛用来增加大功率ＬＥＤ灯具的自然对流散热 效率。 Ｋｉｔａｍｕｒａ等人通过实验研究了烟囱效应 增强自然对流散热结构的散热效率。结果发 现烟囱的位置、边界条件、倾斜度是影响散 热效率的主要因素。Ｓｈａｈｉｎ等人研究带有烟 囱效应的板翅散热结构的热传输效率。通过 对比带与不带烟囱效应的同样的散热结构， 得出结论是烟囱效应显著增加了器件的热量 传输效率。Ｔｈｒａｓｈｅｒ等人通过实验研究了烟 囱效应增强型的钉翅式散热系统。系统研究 了烟囱高度等对热量传输效率的影响。结果 显示随着烟囱高度的增加，散热效率逐渐提 高。 ３．主动散热方式 相比于被动散热方式，主动散热方式具 有更高的热量传输效率，因此也被广泛的研 究。压电风扇散热和合成射流散热是嵌入式 大功率ＬＥＤ灯具散热的常用主动散热手段。压 电风扇是一种共振器件，可以放大来自压电 材料的微小振动从而驱动空气产生运动。合 成射流是一种基于周期性小规模涡旋的零质 量射流。这两种新技术都被应用于大功率ＬＥＤ 灯具的散热中。 ３．１压电风扇 压电风扇的热行为主要依赖于一些重要 的参数，如风扇振幅、风扇与热源的距离、 风扇长度、振动频率等。Ａｃｉｋａｌｉｎ等人研究 了这些参数对于压电风扇散热能力的影响， 并试图寻找出最佳的参数。结果显示，散热 效率最主要依赖于风扇振动频率和风扇振 幅。在最佳状况下，压电风扇的热量传输系 数可以达到１００．８Ｗ／ｍ２Ｋ，比自然对流方式增 强了２７５％。 Ｐｅｔｒｏｓｋｉ等人构建了一种新的散热系 统，其中整合了两种压电风扇以用于大功率 ＬＥＤ灯具的散热。该设计具有三维气流的优 势：在区域２由于风扇振动形成的涡旋从上方 吸入额外的空气以增强冷却效果 作者还将 这种新的设计与自然对流方式进行对比，结 果显示该设计的散射效率是同体积自然对流 散热结构的５倍。 ３．２合成射流散热系统 Ｍａｈａｌｉｎｇａｍ等人通过实验研究了合成射 流散热系统的影响因素。在吹风期，入口的 喷射产生的低气压使得空气进入到通道中， 在吸入期又有新的气流产生进入到通道中 实验结果显示，对于通道宽度存在一个最佳 值使得散热效率最高。在最佳值达到前，散 ………………………… 科研发展一． ｌ ＰＴＮ城域网组网策略研究 蔡绍伟 【摘要】随着全球经济发展的加快，电信企业已经步入全业务运营时代，正全面向ＩＰ化、宽带化、移动化等运营方式进行集合，这势必需接入及承载网络拥有更为清晰的 网络结构与多业务承载能力，Ｐ１Ｎ优势独特无比，其在城域传输网中扮演着十分重要的角色。本文笔者首先对Ｐ１Ｎ城域网的组网模式进行了浅析，在该基础上详细探讨了 Ｐ１Ｎ城域网组网策略。 【关键词Ｊ ＰＴＮ城域网；模式；同步技术 一、引言 定可靠性方面遇到了一定的瓶颈。为此能解 网络的重点解决方案，实践证明是切实可行 随着迅速发展的通信业务，ＩＰ化己成 决局域网的以后发展瓶颈只有将ＩＰ数据网与 的。尤其在用户数据专线接入与３Ｇ基站接入 通信业务中的一大发展潮流。而分组化传输 光纤传输网作为坚实基础，同时集成多种不 等运用中可同ＳＤＨ／ＭｓＴＰ的优势相抗衡，而对 技术将是传输网ＩＰ承载技术发展的趋势，其 同通信方式接入ＰＴＮ技术，这样可以满足未来 于建设ＰＴＮ城域网组网可作出如下几点布署战 产物即是ＰＴＮ技术。因ＰＴＮ技术的优点大放异 城域网中数据、语音、视频等多媒体的业务 略： 彩，它可以将部分无连接、转发行为难测、 发展需求。本着能够适应将来逐渐变化的网 １．在网络建设之时，需要进行对将来业 控制薄弱及毫无控制的分组网通过有效的改 络需求，在网络进行建设之时，应当考虑因 务宽带化加以考虑，应当尽可能以ＰＴＮ作为聚 进之后，可以变为适用在传输的基于连接、 地制宜，经由针对网络资源的各种需求，在 集层、接入层设备，并且要以０ＴＮ作为中心 可预测来路、能控制的网络；而在改进之后 实施ＰＴＮ城域网的组网中宜选取如下几种组网 层、主干层设备，以此相互混合构建城域传 的网络拥有可扩展的、灵活的及可统计复用 方式。 输网，使业务调度工作与网络扩容得到相应 的分组性能；在技术交流与需求最多、最复 １．在基站ＩＰ化与全业务起始期，相对集 简化。 杂、最旺盛的同时，新技术的区域能够不断 中ＩＰ业务量的节点可适度进行调整为ＰＴＮ，其 ２．对于ＴＤＭ业务估计依然将长时期地存在 地生成，在城域网该块业务当中，若要引入 余节点保持不变，仍然为ＭＳＴＰ￣在进行扩大 着，而在ＳＤＨ／ＭＳＴＰ网络中，其价值利用还是 任何一种先进技术一下子是难以做到的，特 数据业务的状况下，局部业务发达区域应当 相当的高，建议避免立即消除原有网络而使 别是在面对早己成熟的ＳＤＨ／ＭＳＴＰ网络及覆盖 考虑把接入层与聚集层同数据接入节点及交 用ＰＴＮ，而选取新老网络共生共存与不断更换 面相当广的ＩＰ城域网与正在新建的全业务接 替节点调整为ＰＴＮ；待到ＩＰ业务的最终高发展 的方式完成整个网络架构才是明智之举。因 入网，我们应当在网络中对ＰＴＮ的定位进行 阶段之后，城域网络内所有站点的ＩＰ化改造 为当中有些网络架构的工作机理存在异同情 重新思考。随着ＰＴＮ技术的进程步入商业应用 完成，聚集与接入使ＰＴＮ网络架构得到形成。 况，所以尽可能避免ＳＤＨ与ＰＴＮ的混合组建环 时，基于ＰＴＮ设备的城域网组网策略己成为各 ２．在城域网当中，由接入层到核心层择 路的使用。 大移动运营商们心中所要追求的核心目标。 取ＰＴＮ设备进行搭建，可从新设置一片端至 ３．在进行规划与维护ＰＴＮ的思路过程中， 二、ＰＴＮ概述 端的分组承载网络，同时也保持存在ＭＳＴＰ网 通常一定要从数据通信网方面进行仔细考 ＰＴＮ又称之为分组传送网，它是采用光传 络。 虑，所以应当尽可能避免整体通过传输网的 送网络架构的一种通信技术，该种通信技术 ３．建设ＩＰ ｏｖｅｒ ｗＤＭ／０ＴＮ在城域网的核心 方向去理解与解决有关问题，特别是在ＩＤ、 主要是采用分组业务流量的突发性与统计复 层里，在接入层与聚集层里选用ＰＴＮ进行组建 ＩＰ等地址概念方面进行理解与有效管理。 用传送的要求作为标准而进行设计的，ＰＴＮ在 分组传送网，待完成业务后把信息数据再传 ４．ＰＴＮ作为一种全新的同步技术，从性能 使用成本方面相对会更加低廉，其可用性、 输至核心机房中。 方面而言，它对所需要的测试目标均有所满 可靠性、安全性及可扩展相对比较高；还具 四、ＰＴＮ城域网组网的建设策略 足，而若处于复杂网络的状况下，究竟能否 有快捷的ＯＡＭ，高效率的带宽管理与网管等优 ＰＴＮ城域网设备大体上主要：ＳＤＨ／ＭＳＴＰ与 真正代替全球定位系统的用途，到目前为止 点，具有如同光传输的优越性能。 ＰＴＮ的混合组网模式、ＩＰ ｏｖｅｒ ＷＤＭ／ＯＴＮ与ＰＴＮ 还未能下论断，所以在ＰＴＮ建网前阶段里，在 三、ＰＴＮ城域网的组网模式 的联合组网模式、ＳＤＨ／ＭｓＴＰ与ＰＴＮ的独立组网 ＴＤ－ＳＣＤＭＡ基站建设的同时，仍然建议需要配 目前运营商大都采取ＭＳＴＰ作为城域网络 模式该三种。ＰＴＮ作为一种先进分组化的传送 置相互对应的全球定位系统装置，直到通过 的主要设各，随着业务流量由ＴＤＭ为重点转换 技术，在将来的ＩＰ化与宽带化业务当中，其 实践验证ＰＴＮ的同步技术确实可以完全代替全 为分组数据业务，３Ｇ／ＬＴＥ与全业务的整体过 发展前景不可限量，它的频率精度非常看好 球定位系统。 渡，以及提出对各种类型设备与大带宽的ＩＰ 且可让时间同步进行传送，对于ＴＤ－ＳＣＤＭＡ长 五、结束语 业务接入的有关要求，致使城域网的业务发 期建设的难题有望得到有效解决。所以ＰＴＮ可 随着迅速发展的３Ｇ通讯，全业务在客户 展在扩展与设备端口数量上及网络系统的稳 以作为往后移动城域传输网接入层与聚集层 心中的需求不断在增加中。从目前网络覆盖 热效率随着通道宽度的增加而增加，而在最 备的主动散射方式具有更好的散热效率。常 Ｔｒｆｉｌｌｓｆｅｒ，３７，４０９—４１６． 佳值达到后，散热效率基本保持不变。同 用的两种主动散热方式如压电风扇和合成射 ［５］Ｂａｒ—Ｃｏｈｅｎ，Ａ，ａｎｄ Ｒｏｈｓｅｎｏｗ，Ｗ．Ｍ．１９８４．Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ 时，作者通过对比得知合成射流技术具有比 流都是当前研究的热点方向。 虽然主动散 ｏｐｔｉｍｕｍ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ，ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｖｅｃｉｔｏｎ ｃｏｏｌｅｄ，ｐａｒａｌｌｅｌ 自然对流和风扇更好的散热效率。该系统在 热的效率较高，但缺点是制作成本较高。目 ｐｈｔｅｓＪｏｕｍａｌｏｆＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅ￣，１０６，１，１１６—１２３． １００℃时的热阻为０．６９℃／ｗ，而自然对流散热 前，从Ｌ叻灯具的性价比等方面考虑，被动散 【６】Ｚｏｇｒａｆｏ ｓ，Ａ．Ｉ．，ａｎｄ Ｓｕｎｄｅｒｌａｎｄ，Ｊ．Ｅ．１９９０．Ｎａｔｕｒａｌ 结构为３．１４℃／ｗ。而相比于普通的风扇散热 热仍然是主流的散热方式，然而随着ＬＥＤ灯具 ｃｏｎｖｅｃｉｔｏｎ ｆｒｏｍ ｐｉｎ ｉｆｎ ａｒｒａｙｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌａ Ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｄ 系统，该合成射流的热传输效率高４０％。 功率的不断增加，主动散热必然引起越来越 Ｆｌｕｉｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，３’４，４４０—４４９． ４．总结 多的关注。 【７］Ｂａｈａｄｕｒ，Ｒ．，ａｎｄ Ｂａｒ－Ｃｏｈｅｎ，Ａ．２００５．ｈＴｅｒｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ 嵌入式大功率ＬＥＤ灯具的散热问题已经 ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｐｏｌｙｍｅｒ ｐｉｎ ｆｉｎ ｈｅａｔ 成为限制该领域技术发展的主要瓶颈之一， 参考文献 ｓｉｎｋｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｍ ａｎｄ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ 目前散热方式主要有被动散热和主动散热两 ［１】梁雪艳．大功率ＬＥＤ液冷散热系统的研究ｐ】．浙江大 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，２８，２，２３８—２４６． 种。被动散热是指在不借助外界辅助设备的 学硕士毕业论文，２０１２． ’ 【８］Ｒａｏ，Ｖ．Ｄ．，Ｎａｉｄｕ，Ｓ．Ｖ．，Ｒａｏ，Ｂ．Ｇ．，ａｎｄ Ｓｈａｒｍａ，Ｋ．Ｖ．２００６． 帮助下，通过散热器本身的将芯片热量散发 【ｚ］郭威．大功率ＬＥＤ热管理ｐ】．华中科技大学硕士毕 Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｒｏｍ ａ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｉｎ ａｒｒａｙ ｂｙ ｎａｔｕｒａｌ 到空气中，主要方式为空气自然对流。为了 业论文，２０１３． ｃｏｎｖｅｃｉｔｏｎ ａｎｄ ｒａｄｉａｔｉｏｎ—ａ ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ａｎａｌｖｓｉｓ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ 提高自然对流的效率，散热器设计有板翅式 ［３］赵学历，ＬＥＤ器件和灯具中散热技术的管理【Ｄ］．中国 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＨｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ ＴｒａｎｓｆｅｒＡ９，３３７９—３３９１． 结构和钉翅式结构两种。为了进～步提高自 计量学院硕士毕业论文，２０１２． ［９］Ｓｐａｒｒｏｗ，Ｅ．Ｍ．，ａｎｄ Ｖｅｍｕｒｉ，Ｓ．Ｂ．１９８６，Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ 然对流散热方式的效率，常结合辐射散热和 【４】Ｇｕｖｅｎｃ，Ａ．，ａｎｄ Ｙｕｎｃｕ，Ｈ．２００１．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｏｎ ｎａｔｕｒａ１ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ／ｆａｄｉａｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｔ ｏｍ 烟囱效应来设计出更具效率的散热器。 ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｆｉｎｓ ｏｎ ａ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｉｎ．ｉｆｎ ａｒｒａｙｓ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ 相对于被动散热，利用额外辅助散热设 ｂａｓｅ ｉｎ ｆｒｅｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ．Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｃｒ，２９，３，３５９—３６８． 屯子世界一１５５—
