前言

高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升，而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，就相对显的非常重要。在20～30lm/W以下的LED，这些问题都不存在。一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候，就不得不需要想办法解决的，因为，热效应所带来的影响，绝对不会仅仅只有LED本身，而是会对整体应用产品带来困扰。所以，LED如果能够在这一方面获得解决的话，那么，也可以减轻应用产品本身的散热负担[1]。在以EHD技术增加LED散热效率之研究中，微信道致冷技术，设计了大功率LED数组封装的微信道致冷结构，并应用热分析软件模拟了其热性能，探讨不同鳍片结构尺寸、流速、功率等参数对LED多芯片散热效果的影响。采用交错信道以提高LED封装的散热能力，模拟结果显示，交错微信道致冷的封装结构能很好地满足大功率LED数组的散热需要[2]。

白光LED是一种节约能源的环保照明光源，比起传统照明光源具有省电及寿命长等优点，但使用在室内照明，因为亮度增加使得LED的发热功率逐渐升高，传统被动式散热法如自然对流已无法适用于高亮度LED，因此散热问题尚待解决[3]。LED商品化发展，散热问题面临严峻考验。一般LED发光效率只约二成，八成大多转换成热，一旦LED走入照明商品化时，若无法有效散热，易发生过热烧毁、光衰加速及寿命缩减的问题。而一般使用的传统自然散热方式已不足应付。一般150瓦的LED灯具若使用传统自然散热方式，藉由灯具表面面积接触空气散热，每瓦热阻值达0.5～1.16℃/W上下，温度将升达60～139℃，再加上40℃环境温度与Tj-a 8～15℃很容易故障烧毁；同时，灯具散热鳍片裸露在外，易累积沙尘、鸟粪，进而丧失散热效能[4]。

在发光二极管(LED)的设计中，因为单管LED无法达到照明强度的要求，设计者经常使用多个LED来达到效果。因为散热的原因，LED之间的最佳距离是设计者必须面临的问题。认为LED的发热不仅与LED间的距离有关，而且还与它们使用的金属芯印制板(MCPCB)的绝缘层、铜箔层以及焊接层的厚度有关，并导出了它们之间的关系[5]。有关发光特性均匀性，一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性与荧光体的制作技术，应该可以克服上述困扰。在散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接左右热传导效果，因此印刷电路板的设计变得非常复杂，有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商，相继开发高功率LED用简易散热技术[6]。

材料特性以及封装技术的限制，LED在亮度及使用寿命上目前还无法达到一般照明灯源的规格，其中一个十分重要的原因是LED封装体发光时会产生热量，因此若散热设计不佳，高温将会导致LED 晶体本身亮度降低、寿命降低、波长飘移等等。除了热传导之外，还具有在单体封装等级(1st Level)就达到良好的热对流效果[7]。LED对于照明之应用日趋重要，而其中急需解决的便是LED散热问题，由于LED具有省电及寿命长之特性，若能有效改善其散热问题，将能延长LED的使用寿命、减少能源的损耗。蒸气腔体乃是在操作时产生沸腾的机制，使热量能迅速且均匀的扩散来达到散热和均温的效果。研究自然对流散热对于蒸气腔体散热模块的性能影响，以提供未来对于蒸气腔体散热模块进一步的分析与改善[8]。

改善封胶之传导系数对于LED之散热有相当之帮助。除此之外，改变PCB材料或置换基板为铝或铜材为降低芯片温度与热阻最有效之方法。印刷电路板面积大小对LED散热有一定程度影响，LED封胶几何形状缺角有降低热阻之功效[9]。

研究动机与目的

研究动机

微控制器来控制压电扇片是目前新科技的新型电风扇，而目前的研究都没有指出它的功效有多大，是否能让热源有效降低多少温度，或使温度维持在一定的温度，是否有办法跟一般电扇相比，比起一般的电扇好处在哪，还有它能广泛运用在其他领域。由于目前市场上广泛的应用LED光源，LED是个容易因为过热而加速损坏的光源，所以LED的散热部份相当重要，因此想利用温度传感器来侦测LED模块温度并利用微控制器来驱动压电扇片，让该模块的温度缓慢降低，以达散热之效果。

研究目的

本研究是利用微控制器驱动压电扇片做散热，由于目前LED的散热方式主要有铝基板配合散热鳍片。以LED模块为热源，由于该模块在长时间使用下会产生较高的温度，所以利用温度传感器来侦测该热源所产生之温度，当传感器温度显示过高时，微控制器将会立即驱动压电扇片，使让该模块的整体温度降低或保持在一定的温度下，并分析在输入60HZ,110V的情形下，利用微控制器使压电扇片能有优化的散热效果。

实验架构与方法

实验模块架构

本研究之实验系统架构，如图一所示，选用50mm的圆形串联铝基板，再将LED焊接于电路板正面，其规格为最大功率3W与工作电流750mA的白光LED灯泡共5颗，搭配足够功率的直流电源供应器，加上降低电流的电路，使每颗LED达到相同的工作电压。在铝机板另一侧则装置散热鳍片，藉此将LED产生的热量传导至鳍片上，鳍片的规格为55mm×55mm的铝合金片状式散热片，将其用螺丝固定于电路板背面，并在LED、电路版、散热鳍片间都均匀涂上散热膏，增加热传导的速率。然后将其固定于压克力箱中，目的在于减少外界气流对实验的干扰。为量测散热鳍片的温度变化，将热电偶式温度计与热敏电阻的感应端涂上散热膏，连接在铝基板上，以量测铝基板上的温度变化。

《图一 实际系统架构》

实验方法

先将LED电路外接直流电源供应器，透过降压电路，固定输出给LED模块总电压为17V，使其运作发亮，因散热?片温度若超过60℃，LED灯泡会发生闪烁或是烧坏现象，所以测量温度上限定为53℃。当铝基板温度达到48℃时，透过热敏电阻送出的信号，经过微控制器内部做比较，将开启控制压电扇片之电路，如图二所示。

输入至LED模块电功率为4.7W，经过约20分钟后LED面板温度就会，将升温测量时间定为30分钟，让LED继续发光30分钟，藉此得到在自然的状态下的升温变化，以确定实验结果之重复性，因此实验时间共为1小时。实验过程中每上升一度纪录温度计的温度与热敏电阻上的电压，再根据所测得电压值对时间绘图，得到电压与温度的关系。

《图二 闭回路控制方块图》

温度与时间观测

将模块置于一个25×25×25㎝压克力箱子中的封闭空间，使内部空气处于非对流的状态。由于风扇与LED模块之间有距离，分别为0mm、5mm、10mm、15mm、2mm、25mm，不同距离所接受的风量，藉此可判断下降温度的时间差异性。

风速量测

在风速测定上本研究使用热线风速计（KIMO CONSTRUCTOR制造之机型；型号VT100）量测扇片尖端受电场作用后因叶片摆动衍生之风速，其原理为将一白金线置于待测的流体中，利用不同的流速时，有不同的冷却效应，因此白金线所呈现之电阻发生变化，电流因而改变，经由电表读数校正后，即可得流速。此热线风速计最大之优点为体积小，量测精度高（可达0.01 m/s），因此被用来作为本文压电致动扇片风速之量测，在风速量测架设上，热线风速计的白金线距离扇片自由端在分别为7mm、12mm、17mm、22mm、27mm、3.2mm，如图三所示。

3.5 HT46R24 Based 控制器电路图

《图三 风扇架设时的孔距》

本文之压电扇片与LED控制电路，主要是由HT46R24 MCU、压电扇片、LED驱动电路与温度感测电路等所构成电路方块图，如下图四所示，说明如下:

《图四 压电扇片与LED控制电路说明》

MCU程序

首先需撷取热敏电阻的电压，在HT46R24的微控制器程序中建立查表，再利用此微控制器内部的ADC功能转换透过查表的方式后，再根据微控制器程序内部的做一个判断，使微控制器到某一温度的电压后，给驱动电路一个信号，用一个I/O Pin来开启压电扇片的驱动电路。

结果与讨论

温度与时间观测结果

由于模块是置于一个封闭的空间，受环境温度的影响相对降低，在实验过程中每上升一度纪录温度计的温度与热敏电阻上的电压，如表一及表二所示。再根据所测得电压值对时间绘图，如图五及图六所示，得到电压与温度的关系。

当铝基板的温度达到48℃时，由于扇片架设的距离不同，能让铝基板的温度下降速度变快，而距离越远，能提供的散热效果有限，如图七、表三所示。

《图五 温度与电压曲线》

《图六 温度与时间曲线图（使用风扇）》

《图七 时间与温度比较图》

距离

风速量测结果

《图八 各距离测得的尖端风速》

实验结果

平均(m/s)

透过降压的电路，随着长时间的下来，容易过热，会使提供LED模块的电压稍微的上升，使LED毁损。风扇的部分，压电体在长时间没有驱动，而且暴露在潮湿的环境之下，很容易造成扇片发生故障，原因可能是跳开原有的频率60Hz，因此所能提供降温效果相对的减半。

结论

模块温度与风扇距离的量测结果，距离越近，所能呈现的效果越佳；反之，距离越远，相对的效果越差。量测下来，最后下降的均温皆在42℃，只有距离模块在0mm所能提供最佳的降温效果。

本实验的主要目的在于使用压电扇片增强散热鳍片的散热能力，找出较佳的系统架构方式来提升其散热效果，如图九、图十所示，使之能够应用在未来普遍的照明系统上。实验结论如下：

1.若压电扇片太靠近散热鳍片，如果受到碰撞，导致扇片位移，有可能导致压电扇片与散热鳍片直接接触，因此会让压电扇片无法启动。因此，将扇片离鳍片的距离，增加为1~2mm，来避免碰撞的情形。

《图九 实验架构俯视图》

《图十 实验架构前视图：（1）底座（2）六角支撑柱（3）散热鳍片底座（4）LED（3W60ln）（5）铝基板（6）散热鳍片（7）压电扇片（8）风扇固定孔（9）固定风扇基座(10)六角支撑柱》

本文给出电源设计中如何利用低端栅极驱动器IC的设计指南。其中包括如何选择适当的驱动器额定电流及功能，驱动器需要哪些支持组件，以及如何估算损耗和结温。在开关电源设计中，通过正确运用栅极驱动器IC，能够提高效率、减小尺寸并简化设计。

实验架构前视图：（1）底座（2）六角支撑柱（3）散热鳍片底座（4）LED（3W60ln）（5）铝基板（6）散热鳍片（7）压电扇片（8）风扇固定孔（9）固定风扇基座(10)六角支撑柱

[2]基于微通道致冷的大功率LED 阵列封装热分析，http://scholar.ilib.cn/A-bdtgd200606016.html。

[3]黄政德，2004，“以EHD技术增加LED散热效率之研究”，硕士论文，国立清华大学。

[4]鑫源盛科技股份有限公司、热管、Total thermal Solution，http://www.ttic-tech.com.tw/news4.html。

[5]金属芯印制板结构对发光二极体发热的影响，http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/yzdlxx/yzdl2005/0509/050915.htm。

[6]技术洞察-改善散热结构提升白光LED使用寿命， http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=12A&zNotesDocId=E69752F3229E3DB448257213005B6466。

[7]高功率LED 的散热处理，http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=5283。

[8]李明坤，2005，“LED蒸气腔体散热模组”，硕士论文，国立台湾大学。

[9]杨正宏，2004，“应用有限体积法对LED构装体与模组之热阻分析”，硕士论文，长庚大学。