作者:KAVEH AZAR，博士，Advanced Thermal Solutions, Inc. (ATS)总裁兼首席执行官。
LED照明的挑战之一是冷却系统与部署现场要求的对齐。led并没有提出一个新的热传递挑战，这是以前没有处理过的。但是整合正确的热力学冷却技术是关键。
LED照明是世界上增长最快的市场之一。发光二极管(led)是一种颠覆性技术，对于标准照明行业和我们已经享受了几十年的产品来说。这种优势很大程度上源于它们的能源使用量和转化率。此外，与荧光灯和白炽灯相比，led可以更直接地控制光输出。从化妆品到工业到住宅和路灯，led对光输出的卓越控制是越来越多的应用区分器之一。但在广泛采用之前，设计师必须了解相关的属性，以考虑开发，这样他们才能为客户提供投资回报。
固态照明，LED照明的另一个名称，与其他电子设备相同，它们的结温决定了寿命和正常运行。有效的LED热管理冷却技术是可行的，并正在整个电子行业部署。led并没有呈现出以前没有处理过的新的热传导现象。LED照明的主要挑战是为部署环境和用户集成正确的冷却技术。
当涉及到可见光范围内，LED比可比较的白炽灯更有效地高出三倍，图1。
图1：LED的功率使用和白炽灯泡。
LED产生热量并且需要冷却，但它们的光从相同的功率输出比传统的白炽灯技术更有效。
热量如何影响LED响应
由LED产生的热量以及它如何影响LED的控制的控制，使得冷却主要问题。因为LED是其光输出的半导体器件，所以它们的光输出直接受温度的影响。图2显示了效果。
图2：半导体结温对不同颜色LED的光输出的影响。
光输出随着LED结温度的升高而降低。蓝色是受影响最小的颜色，在很宽的温度范围内只经历几个百分点的变化，而琥珀色和红色变化最大。每种颜色受温度的影响不同，光输出的变化是可测量的和可见的。这包括当今照明应用中最常见的低温范围。
图3：不同工作温度下的高亮度白色LED的使用寿命。
图3显示了商业白光LED样本L70寿命的温度效应。如图3所示，如果设备的结温从74℃降至11°C至63°C，则L70增加22,000小时。相反，提高LED的温度可能对操作寿命有不利影响。上升温度直接影响LED的正向电压，导致其降低。这可以增加驱动LED的组件上的负载，提高温度，缩短其预期寿命。
图4:温度对LED发光波长的影响。
温度的升高也会引起LED波长的变化，如图4所示。波长的变化可以使橙色LED灯显示为红色。白色led可能会呈现出蓝色的色调。多余的热量不仅会破坏颜色。与其他半导体器件一样，如果不处理热情况，就会导致LED失效。因此，与大多数电子产品一样，LED性能的基本极限是由热管理驱动的。
了解LED传热
虽然led的功能没有改变，但它们的封装在过去几十年里经历了重大升级，具有先进的热性能。封装LED组件的这些改进减少了从半导体模具到封装外部的热阻，如图5所示。包装内部的热阻越低，在给定的温差下，从模具流出的热量就越大。其他的都一样，结果是一个更凉爽的LED。
图5：LED封装 - 使用热粘液从半导体器件携带热量到印刷线路板（PWB）。
LED的上表面覆盖着它的透镜，透镜必须暴露出来才能发光。因此，热管理必须应用于其他地方。今天的led力求尽可能有效地将热量从设备背面传递到控制印刷电路板(PWB)。通常，模具附在一个热模块上，该热模块与印制板相连接。
设计人员尽量减少热粘液和PWB之间的接触热阻。这些措施包括使用热界面材料，焊接（只要电气隔离），最近，构建PWB上的整个LED结构。当LED在布线板上构造时，可以以不同的方式将热量传递到PWB的非组件侧。方法包括使用填充的通孔，PWB内的热粘液，加入铜层和石墨泡沫。一旦热量进入PWB，它就会通过自然对流或具有主动冷却系统的自然对流或具有主动冷却系统来耗散到外侧（非LED侧）。
冷却选项
与其他半导体器件一样，有许多冷却选项。从使用简单的铜板或散热器来分散和散热，到安装包含液体或制冷剂的复杂冷却系统。
冷却方法可广泛分为被动和有源系统。虚拟系统根据定义没有活动组件，例如散热器。有源部件可以是风扇冷却的散热器或热电装置（TEC）。TECS通常称为珀耳帖设备或半导体冰箱。主动系统通常包括依赖依赖性组件以辅助冷却 - 这可以是风扇，泵，相变材料或TEC。
在选择LED冷却系统时，需要提出一些驾驶问题:
•冷却效果 - 它会在一系列LED阵列中产生所需的结和温度均匀性吗？
•成本效益 - LED和冷却系统的组合是否使系统部署在经济上可行的？
•部署站点 - 冷却方法也会添加可能不受欢迎的声噪声吗？
•功耗 - 冷却系统所需的电源减轻了使用LED替代传统照明系统所获得的任何节省？
•可靠性 - 冷却系统将持续，并且需要定期维护？
•环境友好性-从部署到处理冷却系统的碳足迹是多少?
考虑到以上标准，冷却系统越简单，通常意味着其部署越理想。如果我们能用一个简单的铜板或铝板提供所需的冷却和温度均匀性，并且重量不是问题，那将是我们想要的解决方案。但当需要更高水平的照明时，功耗也会更高。因此，冷却系统必须仔细匹配，以满足LED的性能要求。
部署网站是一个重大考虑因素。冷却系统是否合适地安装LED的位置？想象一个带有主动冷却系统的LED路灯。由于时间和温度，其风扇可能会失效，并且需要更换LED以正常工作。然后，需要在街灯中智能，让中央办公室知道风扇是否已经失败并关闭，直到修理。这种风扇，监控系统和维护组合可能会抵消使用LED照明的成本收益。因此，设计人员可能需要找到被动冷却系统。
各种活跃的LED冷却系统已经在电子行业中成功部署。一个示例是使用合成射流在LED壳体内产生气流。图6显示了用于LED冷却的NUVENTIX SYNJET。
图6:用于冷却大功率LED灯具的合成喷射包装。
虽然Synjet没有像传统风扇一样的叶片，但它通过隔膜产生振荡来提供空气运动，如图7所示。
图7:合成射流横截面显示了一个振荡的隔膜来产生空气运动。
在这个广泛的类别中的冷却选项包括:
•压电式风扇-用于低功率应用的局部冷却，压电式风扇产生局部流动，提高自然对流冷却led的传热系数。
•风扇-风扇被放置在散热片的顶部，散热片连接到PCB的背面，并放置led。
•喷气式冲击 - 空气被引导在LED阵列背面的热点上，以提供比扇炉更有效的冷却。
•液体冷却 - 冷板连接到携带LED的PCB（图8）。该板附接到环状系统，包括储存器，液体 - 空气热交换器和泵。这些系统通常使用非常高的功率照明来证明其部署。
•制冷 - 在制冷系统中，蒸发器被放置在PCB的背面，该PCB容纳LED。与液体冷却一样，这种精心冷却的应用取决于LED照明的必要需求。
图8:用于LED显示应用的液冷系统原理图。
有两个重要的因素是所有LED照明设计人员必须首先考虑的:热接触电阻和扩散电阻。从冷却的角度来看，无论采用被动或主动冷却，LED接触PWB或LED- pcb单元接触冷却系统的接触电阻都必须最小。接触电阻可以通过热间隙填充剂、改进的制造工艺(例如，平整度)以及LED和冷却系统的集成结构来降低。一个好的设计师应该确保从半导体到最终环境的热传递路径上的所有接触电阻都是最小的。其目标是使热量流动的阻碍最小，并使LED下方的温度梯度最小化。
由于led是分散的热源，附着在较大的散热器或冷板上，热扩散阻力在有效散热中起着重要作用。根据设计和材料选择，扩散阻力往往是所需热量流动的主要障碍。遗憾的是，这一点经常被忽视，其结果是安装了比所需更复杂的冷却系统。理解从热源到散热器(如环境)的热量流动，以及最大限度地减少热扩散阻力，可能是简单散热片和更复杂的冷却系统之间的区别。
就像其他产品工程一样，LED照明设计师面临的挑战是如何使冷却系统与部署现场要求及其市场接受度保持一致。想象一下，在你家里的一个房间里，有LED灯，房间里充满了风扇或合成喷射声噪音。你的电脑或暖通空调系统发出的噪音已经够让人不舒服的了;现在想象一下，如果还有12个led灯被空气冷却，会发出什么样的声音。LED照明设计师面临的最大挑战可能不是冷却技术——它是现成的——而是冷却技术的包装，这将使LED照明与其他照明方案相比成为可行的选择。
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