LED光源為照明產業的大勢所趨，惟整體發光效率仍未達市場要求，其中，散熱缺陷為首要解決的棘手課題，目前產業界已發展出利用LED驅動器的主動式熱能管理，其藉由內建熱能回折功能，以改善LED在使用年限與散熱的發展窒礙。

在2007年，美國能源部能源情報署（EIA）發表一篇報告，在該篇報告中特別提到美國（在商業區與住宅）的照明設備總共約消耗5，260億千瓦小時的電能。若參考2008年EIA的報告，可發現美國一座核能發電廠能產生124億千瓦小時的電能。因此，透過簡單的計算可知，美國光在照明設備的使用即須耗掉四十二座核能發電廠的電能。隨著人口數量的逐漸成長，照明工業必須尋找新型態的照明光源，以提高照明效率與降低能量消耗。

在照明工業上，發光二極管（LED）一直以來都被寄予厚望能取代傳統白熾燈、熒光燈及各種氣體放電光源的照明設備，主因系LED能降低功耗，并讓土壤不受到有害化學物質危害。然即使LED的發光效率早已超越如氙氣燈（HID）的高效率光源，但在內部電路組成與整體亮度表現仍不盡理想。

LED的發光效率受限于光產生方式，與其采用的材料制造方式無關。LED內部發光的方式通常以非輻射方式產生，因此大多數的光會被重新吸收并產生熱源。以磷光體為主的白光LED，會因為史托克位移效應（Stokes Shift）所產生的熱源而造成LED發光效率降低。不過有幾種創新的解決方案能改善輻射復合率與光子吸收的問題，以增加LED的亮度與發光效率。

透過植入光子晶體提高亮度

Luminus Devices率先提出一種解決方案，藉由植入光子晶體，以便為局限（Trapped）在基板中的光子提供波導管。光子晶體是自然生成的物質，在蛋白石這類型的材料中便可看到光子晶體的存在，其緊密的結構特性，可提供光線放射的路徑，能產生更高密度的光場強度，藉此特性與其他如量子井、光共振腔等特點，能使LED亮度超乎想象增加。對于需要高亮度的應用，如投影機、液晶顯示器（LCD）背光板光源及其他特殊的應用而言，這些特殊的組件皆已相當普及，未來希望能應用在一般照明設備。

每種照明設備均存在光源使用壽命問題，經常遭遇的狀況有類似白熾燈泡的鎢絲突然燒斷，或因長時間使用而使得光源材料因逐漸老化以致變暗而故障，LED亦因組件的接面溫度而出現老化現象。所有的照明設備在提供穩定亮度條件下，于一定使用年限后，亮度勢必會逐漸低于有效亮度之下。在不同的照明應用裝置中，皆有使用壽命時間限制。舉例來說，當使用在路燈裝置的亮度已衰減至原先50%時，即代表使用年限，但使用在醫生內視鏡的光源裝置可能亮度尚未衰減那么多。

藉熱能管理/LED驅動IC管理亮度損耗

LED使用壽命的終點代表其照明亮度已低于可用的水平以下，而LED使用壽命的長短與溫度的關聯性非常高（圖1）。若以圖1中的曲線為設計參考，要設計出一款通用型的照明設備，且使用壽命至少50，000小時后還能有最初50%的亮度，則接面溫度必須控制在100℃之下。在不使用主動冷卻的前提下，將是極為艱巨的任務。另外，由于LED無法使用輻射散熱的問題，此將使得散熱弊病更雪上加霜。傳統白熾燈泡可經由輻射方式分散出大量的紅外線熱能，而LED則須考慮如何解決散熱問題。此外，在使用過程中，若接面溫度瞬間超過制造商所限制的溫度范圍，就會對發光組件的壽命造成劇烈的永久傷害。

圖1 LED照明的溫度效應

若LED須進行降級才能處理嚴峻的接面溫度，則當在設計照明系統或核心組件時，就必須認真思考兩件重要事項，分別為熱能管理與對LED驅動器的了解。不僅僅在通用性的照明應用中須考慮到此兩個因素，在其他應用中也須要被考慮。最簡易的解決方案就是采用被動熱能管理方式，經由散熱片搭配足夠的氣流能帶走廢熱氣。Nuventix研發一種主動式冷卻裝置，此裝置并沒有采用任何的風扇組件，而是利用高速的空氣噴射器產生氣流，其作業原理就像是一名單車騎士單手抓著大卡車的后面，藉由卡車快速前進而快速馳騁，Nuventix所設計的冷卻器就是利用類似的原理，提供高效率的冷卻方式。此技術已被應用在MR16、PAR20、PAR25等標準照明設備中。

解決方案中，另一個重要的課題就是利用LED驅動器的主動式熱能管理方式。傳統上，LED驅動器有固定的電流源，主要用來監視并控制流入一組或多組LED的電流量。通常來說，此足以驅動LED，并能在改變輸入電壓過程中保持相同的亮度大小。然隨著亮度與架構的改良，LED已能提供更高的亮度光源，且逐漸進化成具備熱能控制需求的完整光源引擎核心組件。

為防止組件遭受破壞或讓使用壽命縮短，必須進行熱能管理，且已有多種方法可以解決此問題。圖2為兩種不同的回折曲線，可在溫度上升時限制LED的電流流量。當接面溫度保持在默認溫度范圍內時，就經由主要的控制回路作為電流調節；但當接面溫度超過默認范圍時，就會使用另一組控制回路限制電流大小。其中接面溫度的回折點與驅動電流的衰減率，均可依照不同的應用和LED制造商的建議改變。

圖2 熱能回折曲線的實例

美國國家半導體（NS）所推出的LED驅動器LM3424，已內建熱能回折功能，設計者能（藉由調整曲線斜率）選擇所需的設定點與系統增益值。此使得LED在一般照明與其他的特殊應用裝置（如緊急告示板）中，更能掌握LED因使用年限或受到高溫破壞的現象。

熱能管理提升可靠度　大幅延長LED使用壽命

雖然LED技術不斷演進，卻也衍生出許多新的問題。隨著LED發光強度與效率持續改善，更多的照明　應用設備將會逐漸從傳統的發光源轉移至新型態的LED發光源，并產生更多的新應用。當引入新的冷卻解決方案與驅動技術后，熱能管理將變得更加容易，并能延長LED使用壽命，使得LED具有不須替換的潛力，此在目前使用的白熾燈泡中為難以實現的目標。
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