主动式冷却解决方案提升高亮度 LED 性能

LED 元器件及其驱动电子元件会产生很多热量，必须进行散热，才能保持最佳光输出，并最大程度延长 LED 的工作寿命。虽然使用散热器的被动式冷却足以满足典型 LED 应用需求，但高亮度、高功率的 LED 灯具还是应该考虑采用主动式冷却。

主动式强制气流冷却会提高灯具的复杂度，但在 LED 灯具的使用寿命和性能方面，它具有很大优势，远远超出这些缺点。

本文将讨论发热和 LED 性能之间的关系。然后，本文将介绍两种强制气流冷却模块：一种使用风扇，另一种使用合成射流。最后，我们还将讨论汽车应用中的强制气流 LED 冷却实例。

发热如何影响 LED 性能

必须尽可能让 LED 保持冷却，有三个主要原因。第一个原因与 LED 的辐射功率相关，该功率会发生变化，与结温存在函数关系。更高的环境温度会导致更高的结温。随着结温升高，LED 的正向电压和流明输出都会下降（图 1）。

图 1： 红色、蓝色、磷光体转换白色 LED 的相对光输出，与结温存在函数关系。（图片来源： 伦斯勒理工学院；数据基于 Lumileds LED，并将 25°C 结温下的光输出标准化为 100%）。

第二，LED 在最大额定结温范围内工作，可能触发各种应力机制，将大幅缩短 LED 寿命。第三，高结温会降低 LED 的显色指数 (CRI)。CRI 是一项基于客观行业标准来衡量颜色“真实度”的技术指标。

当然，良好的热管理还有其他一些优点。例如，高效的散热还可以最大程度地降低更换频率，从而减少 LED 照明系统的总成本。良好的热管理还让灯具能够在更高功率水平下工作，减少达到特定亮度所需使用的 LED 数量。

被动式与主动式冷却

大多数情况下，设计人员可选择被动式或主动式冷却。被动式冷却使用自然空气导热和对流，通常以散热器为辅助，加快这两种方式的散热。散热器可为低流明 LED 灯具解决热管理难题。但是，仅依靠散热器还无法为 75 W 或 100 W 功率的 LED 灯具进行散热。即便散热器是专门针对此应用设计的，设计人员也会发现它体积过大，成本昂贵，在机械方面不便于操控。

为了针对高流明应用有效进行设计，我们可能需要主动式冷却系统，以扩散 LED 元器件和驱动电子元件产生的热量。除了散热器之外，主动式冷却还包括一个子系统，通常为风扇，可强制空气吹过散热器。

主动式冷却的一大优点是散热器的体积和尺寸减少最多三分之二。这样可以降低散热器的成本，并且缩小整个系统的尺寸。它还让改造更具可行性。

主动式冷却的理想目标应用是板上芯片 (COB) LED，它包括多个 LED，安装在同一个 PC 板上。在 COB 中使用的 LED 是芯片，而且不采用传统的封装方式。因此，它们的安装只需占用更小的空间，并为强制气流、对流冷却的散热器和风扇组件提供更多操作便利性。用于 COB 器件时，主动式冷却风扇可以有效地将温度降至 90˚F/36˚C，远低于典型 COB 器件的工作温度阈值 120˚C。

强制气流模块选择考虑因素

为冷却 LED 而设计的风扇必须具有极低耗电量，可在很小的空间内安装，预期使用寿命至少与电灯本身相当（现代风扇工作原理提供的使用寿命达到数十万小时）。风扇可以强制空气进入系统，迫使空气流过散热器，更加高效地散热，从而有效地降低环境温度。轴流风扇很常用，空气在同一个轴向上进入和离开。

制造商通常使用性能曲线来描述风扇的特性，该曲线绘制气流与静态压力的关系，以英寸或毫米水柱为单位。这些风扇中的风量相对较高，空气压力相对较低。

主动式冷却解决方案还非常高效，很多此类解决方案的能耗仅为 0.5 瓦特。风扇叶片的效率会发生变化，与气动负载存在函数关系。轴流风扇的峰值效率通常在大约为最高压力的三分之一的压力点出现。为按照输入功率与输出功率的比率来计算风扇效率，可使用以下公式推导：

风扇效率 = P_OUT/P_IN
风扇输入功率 (P_IN) = P_IN（瓦特） = V x I

风扇输出功率 (P_OUT) 或空气动力（使用公制单位）= P_OUT（瓦特） = 空气压力（单位为 m³/秒）x 空气流量（帕斯卡）

使用标准单位，公式变成：

P_OUT（瓦特）=（空气压力（英寸水柱）） x 空气流量 (cfm))/8.5

（公式来源： NMB Technologies）

强制气流选项

现在我们再看一些风扇，开发它们的目的是将 LED 结温保持在最佳水平。 Sunon 的 LED 冷却模块 LA004-024A83DY 的效率比被动式冷却高四倍（图 2）。该风扇使用了获得专利的 DR MagLev（磁悬浮）电机，可消除典型风扇电机通常存在的振动和摇晃。MagLev 技术具有零摩擦的特性，因为轴和轴承之间没有接触。Sunon 的风扇还符合美国能源之星噪声标准 MR16，在 12 英寸水柱压力下测量的噪声水平不允许超过 24 dBA。该风扇重量为 194 克，转速为 2200 rpm (+/- 10 %)，整体尺寸仅为 86 x 45.4 mm，功耗仅为 0.26 瓦特。

图 2： Sunon 的 MagLev 风扇的功耗仅为 0.26 瓦特，运行时的噪声仅为 17 dBA。（图片来源： Sunon Fans）

Sunon 的 MagLev 风扇产品的所有主要部件均采用塑料制成，以提供最佳的绝缘电阻和静电放电 (ESD) 性能。该风扇具有足够的灵活性，能够在较小空间内安装，预期使用寿命通常为 50,000 小时。在 60˚C 的温度和 65% 的相对温度下，它们的平均无故障时间 (MTTF) 为 70,000 小时。

Aavid Thermalloy 的 SynJet 冷却产品采用了另一种主动式冷却技术，也是专为 LED 模块和阵列设计的，它使用振荡薄膜片来产生通过散热器片的恒定气流。这种无风扇的吹风装置带有能够“呼吸”的柔性薄膜片。它缓慢吸入空气，然后再快速排出空气，吹过散热器片，形成高效的对流冷却。

在工作时，它使用电磁致动器，产生驱动力，让薄膜振荡。随着薄膜在腔体内部振荡，将在腔体周围的喷嘴处产生合成射流。这些气流湍流的快速脉冲（通常是每秒 30 至 200 个脉冲）会增加从热源散发的热量，而只需较少的空气，让 75 W 和 100 W LED 白炽灯能够替换。

例如，SynJet Cooler 型号 SPARS-CM012-002 的用途是对射灯、聚光灯、轨道灯、吊灯和 PAR 30 灯具（或更小）进行冷却。它的最大热功耗数据为 32 W，直径为 75 mm，电源为 12 瓦特直流电，提供电平或 PWM 控制选择。它的噪声低至 18 dBA。

冷却汽车 LED 头灯

随着技术继续从奢华车型向主流汽车延伸，配备 LED 头灯的汽车也日益普及。对于汽车头灯，规定每盏灯必须达到 750 流明的亮度，因此需要多个具有高输出的 LED 来满足此项标准。

在非常小的平面上产生高亮度，使得芯片承受了很高的局部热应力，LED 结温可能远远超过 125˚C 的最大值。即便在节能的 LED 头灯中，由于有多个 LED 芯片在灯壳内部，必须达到的总散热量高达数瓦特。除非模块产生的废热能够散发，否则芯片在冷却良好环境中的 100,000 小时（11.4 年）使用寿命可能很快缩短到 15,000 至 30,000 小时。

法规要求最新 LED 头灯仅作为自足式装置提供。即便只有一个 LED 发生故障，整个头灯也必须更换，因为无法进行单个 LED 组件的更换。因此，整个冷却系统必须放置在头灯壳内部（图 3）。由于头灯内部的空间狭小，散热器的尺寸受限，因而减小了空气对流散热。

图 3： 由于 LED 头灯必须是自足式装置，整个冷却系统必须放置在头灯壳内部。（图片来源： ebm-papst）。

设计人员还必须考虑到各种气候因素，包括湿度、含盐量和所有空中悬浮颗粒。内置在头灯中的风扇可以准确地将风吹到必须散热的区域，或者需要空气的区域。

后一种情况的示例是当湿气在非密闭式的头灯壳中聚集时，会在反射镜和镜头上冷凝。与传统的卤素灯相比，由于废热水平较低，如果空气对流到灯壳中，这些湿气只会蒸发，除了主要的冷却功能之外，风扇也可以承担这项任务。

因此，对于汽车头灯应用，我们需要在封闭环境中能够耐受振动、冲击、极端温度的设计坚固的风扇。典型工作温度范围要求是在 -40°C 至 +120°C 之间。

ebm-papst 工程师接受了这一挑战，他们开发了 DC 轴流风扇型号 622M。这些风扇具有紧凑坚固的优点，特别适用于满足 LED 头灯技术的需求。它的重量为 0.085 公斤，尺寸为 60 x 60 x 25 mm，转速为 4550 RPM，在 40°C 温度下的使用寿命为 77,500 小时，在最高温度下的使用寿命为 30,000 小时。

与在其他大多数照明系统中相同，在汽车中，冷却风扇也必须最大程度降低噪声水平。要记住，ebm-papst 的设计人员将 622M 型号风扇放置在封闭声学隔离环中，将净噪声减少至 7 dB 之下。相比之下，安静办公室中的背景噪声通常大约为 40 dB，中等降雨的噪声为 50 dB，人通常听不到 12 dB 以下的声音。

结论

强制气流冷是进行 LED 热管理的一种有效方式。特别是对于高亮度 LED，主动式冷却具有诸多优点，包括减小灯具尺寸、降低整体成本、增加光输出、延长 LED 使用寿命。