关于LED散热在低噪声中的设计分析和应用

由于现今的电子产品不仅需要高效率的散热装置，还必须在比以往更小、更薄的空间内运作，但是较小型的散热风扇要产生更大的工作量及更快的转速，才能达到如大型风扇一样的空气流通量。只是提高转速的同时也意味着噪音更大和组件磨损速度更快的缺点，故不适合用在如投影机、薄型笔电(Notebook)和其他在狭小空间内提供安静散热功能的装置，因而造成电子产品研发人员的“冷却难题”。  

低噪音特性获青睐　静音气冷后势看涨 
目前在电子产品迈向轻薄短小的设计趋势下，业界显然需要兼具小巧、静音、高效率及低成本特色的新式主动散热技术来进行冷却，虽然尚未有此类技术可被商业化量产，但静音气冷技术(Silent Air-cooling Technology, Silent ACT)已是一种相当接近未来散热系统的要求而被看好的新技术。其散热原理是透过一个高强度电场把电极头周围的空间离子化，当离子从电极移至收集电极时，就会和中性的空气粒子互撞且传递电荷，接着则会移动及产生气流空气分子离子化，最后再透过电场来推动气流(图1)。   

图1　静音气冷技术运作示意图

由于现今的电子产品不仅需要高效率的散热装置，还必须在比以往更小、更薄的空间内运作，但是较小型的散热风扇要产生更大的工作量及更快的转速，才能达到如大型风扇一样的空气流通量。只是提高转速的同时也意味着噪音更大和组件磨损速度更快的缺点，故不适合用在如投影机、薄型笔电(Notebook)和其他在狭小空间内提供安静散热功能的装置，因而造成电子产品研发人员的“冷却难题”。  
低噪音特性获青睐　静音气冷后势看涨 
目前在电子产品迈向轻薄短小的设计趋势下，业界显然需要兼具小巧、静音、高效率及低成本特色的新式主动散热技术来进行冷却，虽然尚未有此类技术可被商业化量产，但静音气冷技术(Silent Air-cooling Technology, Silent ACT)已是一种相当接近未来散热系统的要求而被看好的新技术。其散热原理是透过一个高强度电场把电极头周围的空间离子化，当离子从电极移至收集电极时，就会和中性的空气粒子互撞且传递电荷，接着则会移动及产生气流空气分子离子化，最后再透过电场来推动气流(图1)。   

图1　静音气冷技术运作示意图

而当离子化的分子将动能传到中性的空气分子，产生稳定气流后，就在能最低噪音下冷却电子组件。举例来说，静音气冷所产生的噪音，只比半无响室(Semi-Anechoic Chamber)的背景值高1分贝，在正常环境中人耳几乎听不到如此细微的差别。  
事实上，该技术原理早在数10年前就已经被业界提出，但直到最近才有重大进展，并开始进入商品化阶段。其中，全球电子产业微型化技术供货商Tessera已将此技术改造为一个可内建至标准笔记本电脑中，并和现有电子系统并存运作的静音气冷原型装置(图2)。而最近此类技术的研发则更着重在延长使用寿命和效能优化上，如今，技术发展已日趋成熟，业者可开始考虑何种装置最适合纳入此项技术，并有哪些技术适合与其搭配。   

 
图2　内建静音气冷散热系统的笔记本电脑

桌面计算机/小型装置不适用静音气冷 
必须注意的是，所有发热较少的可携式电子产品冷却方案都是把废热传到空气中，相关的热传导可直接透过散热组件，或透过远处的辐射表面将废热传至空气，故归类为一种被动式散热方式。而最普遍的被动热传导系藉由缓慢上升的热空气带动周围温度较低的空气流入，以填补上升热气所空出的空间，相当适用于废热较少的小型电子装置，如MP3与手机。因此，凡是可使用被动散热组件的小型电子装置，均不建议采用静音气冷或其他主动式散热技术。  
另一方面，由于小笔电(Netbook)售价持续下探，亦不适合使用此项先进的静音气冷技术再添成本。同时，桌面计算机搭载强大的中央处理器(CPU)与其他电子组件以达到高运算效能，故热能较多，必须运用成本低且具高热传导效率的主动式气冷配备如风扇冷却；而桌面计算机内部也有足够空间来装设多个大型散热风扇，快速排散数以百瓦计的废热，故其散热系统也无搭载静音气冷的必需性。  
薄型设计当道　静音气冷一展长才
虽然被动式散热有一项特点是完全无声，但却无法满足高效能电子产品的散热需求，以一部典型的笔电须排散25～60瓦(W)甚至更多热量为例，就算是用钻石做成的笔电，搭配全球最好的等向性导热体，若采用的是无风扇被动散热技术，最多只能排散10～15瓦的热量，可预见过热状况将层出不穷。  
有鉴于当前笔电排热量可观，而机体设计不断朝向轻薄趋势，又拥有吵杂的散热风扇，故已成为静音气冷的理想搭挡，而针对图2所示的静音气冷组件原型设计，其经过专门设计，如搭载电子液动力送风机(EHD Blower)与微型高压电源供应器(HVPS)后，可被建置于原本用来容纳机械式散热风扇的空间内(26cm2×1m)。加上此款原型组件采用冷阴极管(CCFL)变压器电路，亦可将笔电电池的12伏特直流电(VDC)转换成运作此组件所需的千伏特(kV)电力等级。  
锁定薄型化电子产品的发展，最新的静音气冷技术也将着重于优化散热气流及缩减厚度，且仅须使用过去一半的耗电量就能让排热量达到和风扇加散热片一样的散热水平。  
无独有偶，最近一体成型(All-in-one)计算机市占率持续攀升，而其内部空间相当有限，且散热系统也经常位于用户的耳朵附近，使得静音运作格外重要，而静音气冷微型化、低噪音的特性在此类型应用中便很合适，成为另一个可将其导入的新兴应用领域。  

另一方面，若以大型电子设备如数据中心的冷却方案来看，由于数据中心是搭配专属的基础设施并在固定地点上运作，因此适合采用以液态冷却技术来散热。有别于可携式应用，数据中心可安装管线，以安静且有效率的方式将服务器排出的热量传送至外部，再透过大型散热片搭配风扇散热。不过，如果没有静音的考虑，又能妥善控制冷却负荷，便可只使用高风压传统风扇，不须使用液态冷媒。在这种情况中，静音气冷即可被用来提升风扇的冷却效率，但不太可能完全取代风扇。  
LED导入静音气冷需求兴 
值得一提的是，静音气冷其中一个主要应用为发光二极管(LED)照明，尤其在白炽灯泡的运作温度高达800℃，大多透过辐射散热，而LED照明装置的运作温度仅有80～120℃，且不会释出大量的红外线能量的情下，近来LED逐渐成为取代白炽灯泡的省电型产品。然而，在LED运作持续升温之际，已影响光色和降低光强度，再加上传统灯泡的灯座并非以散热为考虑来设计，因此当使用LED灯取代传统灯具时，就必须透过分子对流的方法排热(图3)。   

图3　静音气冷装置靠近一个均匀加热的大面积平板时所摄得的热影像，其可在一个狭小空间内产生微风，仅需数平方毫米空间就能让LED温度降至25℃。
目前冷却LED最常见的解决方案是被动式散热，此方式不外乎运用大体积、笨重、较昂贵的散热片来达成效果，且不会产生任何噪音或震动，故非常适合完全不允许有噪音与震动的照明应用。不过，热传导技术在更小、更轻的机体中，所排散的废热远超过被动式传导所能支持，因此静音气冷将成为LED照明灯具极富前景的解决方案。  

微型化趋势带动　新型散热方案行情涨 
微型化趋势促使市场须以新型的主动散热技术取代高发热小型装置中的散热风扇。虽然目前原始设备制造商(OEM)并没有可行的替代方案；不过静音气冷技术由于能为小尺寸装置提供高效率散热，前景一片看好。  
最近许多新科技皆迈向商品化，使得许多电子装置的研发业者开始考虑静音气冷技术的各种可能应用。整体而言，废热产生量较少的产品，如MP3随身听与手机，或是有充裕空间来装设大型风扇的应用，如服务器与桌面计算机，都还不须要用到静音气冷技术，而最可能采用此技术的对象则包括像数字投影机、机顶盒、标准笔电(非小笔电)，以及LED照明灯具等装置。