摆脱光与热技术障碍 LED路灯系统设计

　　高油价、高电价时代，如何有效提高照明设备的效率已成为节能、减碳的重要工作。随着LED的发光效率与寿命提升，让原本只能做指示或辅助用途的LED灯逐渐拓展到一般照明，可达成提供夜间交通安全照明与维持夜间治安的路灯设施，提升整体市容，达到省电、节能以及环保的多功能性。

　　LED路灯质量参差不齐

　　LED路灯必须受到高、低气温差异以及日晒雨淋的天气考验，有些产品安装不到半年就故障。LED路灯良莠不齐，造成使用者信心不足，市场需求自然疲弱。有些专家认为，目前LED的发光效率与高压钠灯相较尚有差距，作为装饰照明和部分环境照明用无虞;但若作为道路照明用，目前只适合院(园)区通道或次干道;同时作为功能性为主的道路照明(主干道)，尚有诸多技术问题有待克服，如散热、二次光分布、均匀度等，因此目前尚不宜做主干道照明。

　　光/机/电/热四大技术瓶颈待解

　　LED因为发光特性，输入电能约有80%以上转换成热能必须排出，且LED晶粒属半导体材料，因此不耐高温，且发光效率会随芯片温度上升而降低，散热变成LED路灯的首要考虑。其次，路灯应用须符合道路照明规范，依照区域与道路状况的不同，分别会根据照度、照度均匀度等有不同的规定，因此光学的设计成为LED路灯第二大挑战。其他如LED需要直流驱动，因此排列方式与电源供应器的选用都是技术重点，还有耐风压、耐雷击、耐震动等安全性考虑，都增加LED路灯设计困难性。

　　简单来说，LED灯具就是要考虑热、光、电、机四大部分。现行市场上技术瓶颈最高的便是热与光，以下将就此两大技术部分进行讨论。

　　借散热机构/被动散热/组件解决散热问题

　　LED芯片可承受的最高温约为125～150℃。在LED路灯应用上，环境温度可达35℃以上，甚至高温区域40℃以上，若不能有效散热(控制结点温度)，LED的寿命将快速递减。根据Cree的数据显示(图1)，若可将发光芯片结点温度控制于65℃，LED的整体寿命将可达10万小时(以光衰30%计算)。

　　LED灯从芯片开始发热，至散热装置把热散掉，整个热传示意图如图2。前段从LED芯片到LED底座与LED封装设计有关，所以选择耐温的芯片、荧光粉、封装材质以及热阻低的封装设计便是首要要件，目前热阻一般均可达10K/W以下，较好的技术已经有达到5K/W的水平。而后段LED底座到空气端则与散热机构有关。

　　大功率LED的散热机构一般有几种形式：

　　? 主动散热

　　加装风扇强制散热、水冷散热技术、半导体制冷芯片。

　　? 被动散热

　　自然散热、热管加鳍片、均温板加鳍片、回路热管技术等。

　　以路灯应用来说，户外安装风扇稳定性会有问题，水冷式散热与半导体制冷芯片则因为须要额外付出更多电力散热，且散热端亦须要另外结构散热，在LED路灯应用上，严苛的户外环境应避免这样的设计。以下将分析被动散热形式的原理和相关比较。

　　? 自然散热

　　自然散热利用热传导、热对流以及热辐射作为基本的散热原理。主要系利用热传导将热导到灯具外壁面，再藉由灯具表面积或鳍片与周围空气的对流散热和对周围物体的辐射散热(图2)。

　　? 热管加鳍片

　　热管的传热现象，利用物质相变化时，可吸收或散发高热能的现象，因此使得热管为具备极高的热传效率之设备。一般热管仍须在冷凝端加鳍片散热，已经是很成熟的技术，多应用于计算机类设备中。

　　? 均温板加鳍片

　　均温板与热管的原理与理论架构相同，只有热传导的方向不相同，热管的热传导方式是一维的，是线的热传导方式，而均温板的热传导方式是二维的，是面的热传导方式。