LED散熱新趨勢―靜音氣冷技術(shù)

由于現(xiàn)今的電子產(chǎn)品不僅需要高效率的散熱裝置，還必須在比以往更小、更薄的空間內(nèi)運(yùn)作，但是較小型的散熱風(fēng)扇要產(chǎn)生更大的工作量及更快的轉(zhuǎn)速，才能達(dá)到如大型風(fēng)扇一樣的空氣流通量。只是提高轉(zhuǎn)速的同時(shí)也意味著噪音更大和組件磨損速度更快的缺點(diǎn)，故不適合用在如投影機(jī)、薄型筆電(Notebook)和其他在狹小空間內(nèi)提供安靜散熱功能的裝置，因而造成電子產(chǎn)品研發(fā)人員的“冷卻難題”。

　　低噪音特性獲青睞　靜音氣冷后勢看漲

　　目前在電子產(chǎn)品邁向輕薄短小的設(shè)計(jì)趨勢下，業(yè)界顯然需要兼具小巧、靜音、高效率及低成本特色的新式主動(dòng)散熱技術(shù)來進(jìn)行冷卻，雖然尚未有此類技術(shù)可被商業(yè)化量產(chǎn)，但靜音氣冷技術(shù)(Silent Air-cooling Technology, Silent ACT)已是一種相當(dāng)接近未來散熱系統(tǒng)的要求而被看好的新技術(shù)。其散熱原理是透過一個(gè)高強(qiáng)度電場把電極頭周圍的空間離子化，當(dāng)離子從電極移至收集電極時(shí)，就會(huì)和中性的空氣粒子互撞且傳遞電荷，接著則會(huì)移動(dòng)及產(chǎn)生氣流空氣分子離子化，最后再透過電場來推動(dòng)氣流(圖1)。

圖1　靜音氣冷技術(shù)運(yùn)作示意圖

　　由于現(xiàn)今的電子產(chǎn)品不僅需要高效率的散熱裝置，還必須在比以往更小、更薄的空間內(nèi)運(yùn)作，但是較小型的散熱風(fēng)扇要產(chǎn)生更大的工作量及更快的轉(zhuǎn)速，才能達(dá)到如大型風(fēng)扇一樣的空氣流通量。只是提高轉(zhuǎn)速的同時(shí)也意味著噪音更大和組件磨損速度更快的缺點(diǎn)，故不適合用在如投影機(jī)、薄型筆電(Notebook)和其他在狹小空間內(nèi)提供安靜散熱功能的裝置，因而造成電子產(chǎn)品研發(fā)人員的“冷卻難題”。

　　低噪音特性獲青睞　靜音氣冷后勢看漲

　　目前在電子產(chǎn)品邁向輕薄短小的設(shè)計(jì)趨勢下，業(yè)界顯然需要兼具小巧、靜音、高效率及低成本特色的新式主動(dòng)散熱技術(shù)來進(jìn)行冷卻，雖然尚未有此類技術(shù)可被商業(yè)化量產(chǎn)，但靜音氣冷技術(shù)(Silent Air-cooling Technology, Silent ACT)已是一種相當(dāng)接近未來散熱系統(tǒng)的要求而被看好的新技術(shù)。其散熱原理是透過一個(gè)高強(qiáng)度電場把電極頭周圍的空間離子化，當(dāng)離子從電極移至收集電極時(shí)，就會(huì)和中性的空氣粒子互撞且傳遞電荷，接著則會(huì)移動(dòng)及產(chǎn)生氣流空氣分子離子化，最后再透過電場來推動(dòng)氣流(圖1)。

圖1　靜音氣冷技術(shù)運(yùn)作示意圖

　　而當(dāng)離子化的分子將動(dòng)能傳到中性的空氣分子，產(chǎn)生穩(wěn)定氣流后，就在能最低噪音下冷卻電子組件。舉例來說，靜音氣冷所產(chǎn)生的噪音，只比半無響室(Semi-Anechoic Chamber)的背景值高1分貝，在正常環(huán)境中人耳幾乎聽不到如此細(xì)微的差別。

　　事實(shí)上，該技術(shù)原理早在數(shù)10年前就已經(jīng)被業(yè)界提出，但直到最近才有重大進(jìn)展，并開始進(jìn)入商品化階段。其中，全球電子產(chǎn)業(yè)微型化技術(shù)供貨商Tessera已將此技術(shù)改造為一個(gè)可內(nèi)建至標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦中，并和現(xiàn)有電子系統(tǒng)并存運(yùn)作的靜音氣冷原型裝置(圖2)。而最近此類技術(shù)的研發(fā)則更著重在延長使用壽命和效能優(yōu)化上，如今，技術(shù)發(fā)展已日趨成熟，業(yè)者可開始考慮何種裝置最適合納入此項(xiàng)技術(shù)，并有哪些技術(shù)適合與其搭配。

圖2　內(nèi)建靜音氣冷散熱系統(tǒng)的筆記本電腦

　　桌面計(jì)算機(jī)/小型裝置不適用靜音氣冷

　　必須注意的是，所有發(fā)熱較少的可攜式電子產(chǎn)品冷卻方案都是把廢熱傳到空氣中，相關(guān)的熱傳導(dǎo)可直接透過散熱組件，或透過遠(yuǎn)處的輻射表面將廢熱傳至空氣，故歸類為一種被動(dòng)式散熱方式。而最普遍的被動(dòng)熱傳導(dǎo)系藉由緩慢上升的熱空氣帶動(dòng)周圍溫度較低的空氣流入，以填補(bǔ)上升熱氣所空出的空間，相當(dāng)適用于廢熱較少的小型電子裝置，如MP3與手機(jī)。因此，凡是可使用被動(dòng)散熱組件的小型電子裝置，均不建議采用靜音氣冷或其他主動(dòng)式散熱技術(shù)。

　　另一方面，由于小筆電(Netbook)售價(jià)持續(xù)下探，亦不適合使用此項(xiàng)先進(jìn)的靜音氣冷技術(shù)再添成本。同時(shí)，桌面計(jì)算機(jī)搭載強(qiáng)大的中央處理器(CPU)與其他電子組件以達(dá)到高運(yùn)算效能，故熱能較多，必須運(yùn)用成本低且具高熱傳導(dǎo)效率的主動(dòng)式氣冷配備如風(fēng)扇冷卻；而桌面計(jì)算機(jī)內(nèi)部也有足夠空間來裝設(shè)多個(gè)大型散熱風(fēng)扇，快速排散數(shù)以百瓦計(jì)的廢熱，故其散熱系統(tǒng)也無搭載靜音氣冷的必需性。

　　薄型設(shè)計(jì)當(dāng)?shù)馈§o音氣冷一展長才　

　　雖然被動(dòng)式散熱有一項(xiàng)特點(diǎn)是完全無聲，但卻無法滿足高效能電子產(chǎn)品的散熱需求，以一部典型的筆電須排散25～60瓦(W)甚至更多熱量為例，就算是用鉆石做成的筆電，搭配全球最好的等向性導(dǎo)熱體，若采用的是無風(fēng)扇被動(dòng)散熱技術(shù)，最多只能排散10～15瓦的熱量，可預(yù)見過熱狀況將層出不窮。

　　有鑒于當(dāng)前筆電排熱量可觀，而機(jī)體設(shè)計(jì)不斷朝向輕薄趨勢，又擁有吵雜的散熱風(fēng)扇，故已成為靜音氣冷的理想搭擋，而針對圖2所示的靜音氣冷組件原型設(shè)計(jì)，其經(jīng)過專門設(shè)計(jì)，如搭載電子液動(dòng)力送風(fēng)機(jī)(EHD Blower)與微型高壓電源供應(yīng)器(HVPS)后，可被建置于原本用來容納機(jī)械式散熱風(fēng)扇的空間內(nèi)(26cm2×1m)。加上此款原型組件采用冷陰極管(CCFL)變壓器電路，亦可將筆電電池的12伏特直流電(VDC)轉(zhuǎn)換成運(yùn)作此組件所需的千伏特(kV)電力等級。

　　鎖定薄型化電子產(chǎn)品的發(fā)展，最新的靜音氣冷技術(shù)也將著重于優(yōu)化散熱氣流及縮減厚度，且僅須使用過去一半的耗電量就能讓排熱量達(dá)到和風(fēng)扇加散熱片一樣的散熱水平。

　　無獨(dú)有偶，最近一體成型(All-in-one)計(jì)算機(jī)市占率持續(xù)攀升，而其內(nèi)部空間相當(dāng)有限，且散熱系統(tǒng)也經(jīng)常位于用戶的耳朵附近，使得靜音運(yùn)作格外重要，而靜音氣冷微型化、低噪音的特性在此類型應(yīng)用中便很合適，成為另一個(gè)可將其導(dǎo)入的新興應(yīng)用領(lǐng)域。

　　另一方面，若以大型電子設(shè)備如數(shù)據(jù)中心的冷卻方案來看，由于數(shù)據(jù)中心是搭配專屬的基礎(chǔ)設(shè)施并在固定地點(diǎn)上運(yùn)作，因此適合采用以液態(tài)冷卻技術(shù)來散熱。有別于可攜式應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心可安裝管線，以安靜且有效率的方式將服務(wù)器排出的熱量傳送至外部，再透過大型散熱片搭配風(fēng)扇散熱。不過，如果沒有靜音的考慮，又能妥善控制冷卻負(fù)荷，便可只使用高風(fēng)壓傳統(tǒng)風(fēng)扇，不須使用液態(tài)冷媒。在這種情況中，靜音氣冷即可被用來提升風(fēng)扇的冷卻效率，但不太可能完全取代風(fēng)扇。

　　LED導(dǎo)入靜音氣冷需求興

　　值得一提的是，靜音氣冷其中一個(gè)主要應(yīng)用為發(fā)光二極管(LED)照明，尤其在白熾燈泡的運(yùn)作溫度高達(dá)800℃，大多透過輻射散熱，而LED照明裝置的運(yùn)作溫度僅有80～120℃，且不會(huì)釋出大量的紅外線能量的情下，近來LED逐漸成為取代白熾燈泡的省電型產(chǎn)品。然而，在LED運(yùn)作持續(xù)升溫之際，已影響光色和降低光強(qiáng)度，再加上傳統(tǒng)燈泡的燈座并非以散熱為考慮來設(shè)計(jì)，因此當(dāng)使用LED燈取代傳統(tǒng)燈具時(shí)，就必須透過分子對流的方法排熱(圖3)。

　　圖3　靜音氣冷裝置靠近一個(gè)均勻加熱的大面積平板時(shí)所攝得的熱影像，其可在一個(gè)狹小空間內(nèi)產(chǎn)生微風(fēng)，僅需數(shù)平方毫米空間就能讓LED溫度降至25℃。

　　目前冷卻LED最常見的解決方案是被動(dòng)式散熱，此方式不外乎運(yùn)用大體積、笨重、較昂貴的散熱片來達(dá)成效果，且不會(huì)產(chǎn)生任何噪音或震動(dòng)，故非常適合完全不允許有噪音與震動(dòng)的照明應(yīng)用。不過，熱傳導(dǎo)技術(shù)在更小、更輕的機(jī)體中，所排散的廢熱遠(yuǎn)超過被動(dòng)式傳導(dǎo)所能支持，因此靜音氣冷將成為LED照明燈具極富前景的解決方案。

　　微型化趨勢帶動(dòng)　新型散熱方案行情漲

　　微型化趨勢促使市場須以新型的主動(dòng)散熱技術(shù)取代高發(fā)熱小型裝置中的散熱風(fēng)扇。雖然目前原始設(shè)備制造商(OEM)并沒有可行的替代方案；不過靜音氣冷技術(shù)由于能為小尺寸裝置提供高效率散熱，前景一片看好。

　　最近許多新科技皆邁向商品化，使得許多電子裝置的研發(fā)業(yè)者開始考慮靜音氣冷技術(shù)的各種可能應(yīng)用。整體而言，廢熱產(chǎn)生量較少的產(chǎn)品，如MP3隨身聽與手機(jī)，或是有充?？臻g來裝設(shè)大型風(fēng)扇的應(yīng)用，如服務(wù)器與桌面計(jì)算機(jī)，都還不須要用到靜音氣冷技術(shù)，而最可能采用此技術(shù)的對象則包括像數(shù)字投影機(jī)、機(jī)頂盒、標(biāo)準(zhǔn)筆電(非小筆電)，以及LED照明燈具等裝置。