改進的LED燈具及照明設備的制作方法

本發明涉及LED光引擎、LED燈具及LED照明設備，尤其適用于板驅動器和/或板控制集成電路上包含的LED燈具及LED產品。

背景技術：

LED照明設備及燈具越來越流行，并且隨著照明輸出在數量和質量上的改進，這種流行性未來將繼續增長。在包括LED模塊的照明單元中，防止LED模塊過熱很重要，因為過熱會嚴重地減少照明單元的使用壽命，導致LED燈具/照明設備的過早失效。

在很多當前可用的LED燈具及照明設備中，一個或多個LED模塊連同其相關驅動器以及其它控制部件一起安裝在同一印制電路板上，該同一印制電路板通常為金屬印制電路板（MCPCB）（通常由鋁構成），并且與散熱器緊密地熱接觸。這個結構允許從LED模塊迅速轉移熱量。

隨著LED進入主流照明應用，消費者希望模仿傳統照明單元（比如，白熾燈和熒光燈）進行操作。這包括能夠使LED變暗以及能夠通過適當設計的App利用手持設備（比如，智能手機和平板）遠程地控制LED。進一步地，新一代的“智能”燈具照明設備開始變得可用，其包括檢測器，該檢測器感應關于局部環境的信息并且將此信息通信至處理器。這些燈具照明設備是收集關于其所在的環境的數據的一種方式。這解決了在一特定位置處的專用感應器的相關問題，比如室內恒溫器，僅覆蓋體有限區域，建筑物或住宅將包括很多燈具照明設備，每一個能夠收集數據。因此，這些照明設備收集的數據具有的粒度高于其它途徑收集的數據，由此是更有用的。

這些多方面的優點必然地要求額外的處理能力，通常以具有增加功能的控制集成電路（IC）的方式，增加功能包括數據存儲能力和無線通信功能。除了LED產生的熱量之外，這些增加功能都會產生大量的熱量，導致需要更多的散熱器，以便保持LED金屬印制電路板的溫度降至可接受水平。

本發明的一個目的在于解決或緩解以上概述的一些或全部問題。

技術實現要素：

根據本發明的第一方面，提供了根據權利要求1所述的LED照明模塊。例如，提供了一種LED照明模塊，包括

（1）LED模塊，其包括位于第一印制電路板上的一個或多個單一LED；

（2）散熱器，所述第一印制電路板與所述散熱器良好地熱接觸，以便LED的熱量通過所述散熱器驅散；

（3）第二印制電路板，其適于容納用于LED的功率及控制電路；

其中，所述第二印制電路板與所述散熱器和所述第一印制電路板熱隔離，并且由此與所述LED模塊熱隔離。

通過將LED印制電路板上的LED用作主要的發熱部件，通過分離所述LED印制電路板，由此在LED在使用中從控制電路和需要功率的部件產生的熱量以及控制LED所產生的熱量，并且通過在一個或多個獨立印制電路板上安裝非LED部件，可以增加LED的照明輸出和/或增加LED照明模塊的使用期限。當LED照明模塊使用在減少空氣循環的應用，比如在封閉或耐火等級照明設備中，尤為特別。例如，通過利用本發明，可以實現25000小時的壽命或大于70%的流明維持率。假設燈/照明設備周圍具有一些自由空氣空間。應該領會的是，如果LED照明模塊周圍有受限氣流，比如由絕緣材料覆蓋體，則預期壽命會稍微減少。

所述第一PCB和所述第二PCB之間的熱絕緣可以采取各種形式。例如，可以采取片狀或層狀的絕緣材料的形式，如果第二PCB位于封閉空間則可采取灌注化合物的形式，或者以在所述第一和第二PCBs之間利用或不利用額外絕緣材料的空氣縫隙的形式。

優選地，所述第二PCB進一步包括用于控制LED模塊的亮度的調光電路部件。

優選地，所述第一PCB包括金屬PCB，更優選地，該金屬PCB包括鋁。鋁PCB或由其它材料構成的PCB具有高傳熱系數，最有效地將熱量從LED轉移至散熱器。

優選地，所述第一PCB和所述散熱器之間提供有導熱接口。適當的導熱接口例如是導熱脂、導熱墊、石墨箔或導熱丙烯酸薄膜。

優選地，所述第二PCB包括玻璃強化環氧樹脂層合片，比如FR-4。

在進一步的優選實施例中，所述第二PCB進一步包括金屬PCB。當控制電路包括產生大量熱量的集成電路，大量熱量使集成電路安裝在獨立金屬PCB上，以某種方式連接至所述第二PCB以形成第二PCB組件。將所述第二PCB上的主要發熱部件分離至獨立金屬芯PCB上，這在控制延長操作期間產生的熱量中帶來顯著優勢。優選地，這個金屬PCB包括鋁。

優選地，所述散熱器包括主體，該主體由包括導熱材料的材料構成。這樣，所述LED照明模塊的燈體也是散熱器，其優選地由鋁形成或包括鋁。

有利地，所述燈體采取大體截頭圓錐形的大體中空形式，該截頭圓錐在其狹窄端處或附近被具有正面及后面的后壁所封閉。這包括常規GU10燈體的形狀。

優選地，所述后壁的正面是大體平坦的。這是組裝后所述LED印制電路板與所述散熱器的后壁緊密地熱接觸的區域，保持這個區域平坦會改進傳熱。

優選地，所述散熱器主體并有多個翅片，以避免散熱器的熱對流，并且優選地，一些或全部翅片位于所述主體內部。

優選地，所述絕熱材料包括塑性材料盤，該塑性材料盤靠在所述散熱器主體的后壁的后面。

優選地，所述LED照明模塊進一步包括燈頭配件，該燈頭配件優選為GU10配件。這使得所述第二PCB能夠容納在所述GU10蓋體配件內。

在一個特別優選的實施例中，所述絕熱材料包括灌注化合物，該灌注化合物圍繞所述第二PCB或第二PCB組合以將其封裝以及使其與所述散熱器和所述第一PCB熱隔離。

優選地，所述照明模塊進一步包括透鏡、透鏡架及透鏡蓋體。

本發明還包括并有如上所述的LED照明模塊的燈具。

附圖說明

僅以示例的方式，參照附圖，對本發明進行描述，其中：

圖1A和1B展示了在單一第二PCB上帶有控制部件的非調光照明模塊的分解圖；

圖2展示了在并有補充PCB的第二PCB上帶有調光及控制部件的可調光LED照明模塊的分解圖；

圖3A和3B展示了控制部件分布在兩個PCBs之間的GU10縫隙內的非調光LED照明模塊的分解圖；

圖4A和4B展示了圖3A和3B所示的LED照明模塊的可調光版本的分解圖；

圖5展示了根據本發明的第二實施例的筒燈設計的剖面圖；

圖6展示了圖5的筒燈設計的分解部件圖。

具體實施方式

在本發明的上下文中，術語“LED照明模塊”是指一種功能性LED光引擎及其相關控制電路，比如，能量、調光器和/或控制集成電路或電子器件。術語“LED模塊”是指安裝在適當PCB上的一個或多個LED光引擎，帶有或不帶有任何相關的控制電路。

參照圖1A和1B，展示了根據本發明的LED照明模塊的分解圖。在此示例中，本發明以GU10燈10表示。所述燈10包括GU10蓋體19、照明燈體16（還用作散熱器）、透鏡架13、透鏡12及蓋體11。這些部件類似于現有GU10燈中的部件。LED照明模塊中的LED模塊的機構和定位、相關能量管理及能量變換、驅動、調光、控制及感應部件使得本發明不同于已知的照明模塊。更具體地，提供了LED板14，該LED板上安裝有LED20。其它電子部件安裝在遠離LED印制電路板的別處，可能例外的是二極管25，以保護LED不受反向擊穿電壓。所述LED印制電路板和LED20與照明主體的后端壁21的內側良好地熱接觸。此良好熱接觸可能通過導熱接口材料加強，比如，導熱脂、導熱墊、石墨箔、導熱丙烯酸薄膜或導熱納米復合材料或聚合物。應該理解的是，任何適當導熱材料可以用于此目的。所述主體16的后端壁21的正面是大體平坦的，以促進LED印制電路板的后部的整個表面區域上的熱傳遞。

根據電氣/電子部件產生熱負荷，所述LED20是安裝在LED印制電路板14上的唯一此類部件，因此，僅有LED產生的熱量傳遞至照明設備燈體16并由其驅散。多個內部直熱翅片22并入所述主體16，以輔助散熱過程。

所述照明設備主體還提供了多個孔或狹縫23，該多個孔或縫23設計用于輔助空氣循環以及由此輔助散熱。

應該領會的是，雖然多個翅片或狹縫有利于輔助散熱，一個大的翅片和/狹縫就已足夠。

所述LED照明模塊的運行所需的其它電氣/電子部件設置于獨立的第二PCB18上，在此例中，該獨立第二PCB18的尺寸和形狀設計用于匹配進GU10蓋體19。這些部件包括但不限于驅動部件、能量管理及能量變換部件以及控制部件。提供調光功能的調光部件同樣并入此板或GU10蓋體內的另一獨立PCB（見圖2和4及以下相關描述）。

這個第二PCB18優選地由玻璃強化環氧樹脂層合片構成，比如FR-4，并且利用灌注化合物密封在GU10蓋體19內，進一步使此第二PCB上的部件產生的熱量與散熱器隔離，由此與LED自身隔離。為了改進隔熱，絕緣材料層17可選地設置于所述照明設備主體的后端壁21的外側，作為朝向GU10蓋體19的側面。任何適當絕緣材料可能用于此目的，但塑性材料薄片是有成本效率的方案。

雖然所述燈體16已描述為由鋁制成，可以使用金屬或非金屬的任何導熱材料。由于高導熱性、成本合理及鑄造或作業簡單，鋁通常是優先選擇。第一金屬印制電路板14和第二集成電路印制電路板18通過電纜24以常規方式相連。在此例中，提供了四條電纜，因為LED及驅動為三級設計，帶有3個陰極和1個陽極。應該領會的是，在此例所述的結構中，僅有LED產生的熱量必須通過散熱器驅散。因此，可能加強驅動LED以便增加器照明輸出和/或延長LED使用壽命。

圖2展示了另一GU10燈，該GU10燈在此例中是可調光的。采用了與圖1中使用的類似的編號系統。調光功能所需的控制電路及附加電路包含在復合PCB48中，該復合PCB48同樣容納在GU10蓋體49中。集成電路板48具有兩個部分，包括環氧樹脂層壓板57（例如，由FR-4制成的PCB）以及與PCB57大體成直角安裝的MCPCB55。所述金屬PCB55載有主控制集成電路56，在包括調光功能時具有更高熱量輸出，由此優選地安裝在MCPCB上。這兩個板可能通過焊接接頭或更優選地通過插電式結構相連。如前述示例，雙重集成電路板48完全灌注在GU10蓋體內，并且絕緣材料層47提供與散熱器主體46的進一步的熱隔離。

如圖2所示，板55大體垂直于板57的PCB結構僅是眾多可能結構中的一種。例如，較小板55以夾層式結構設置于板57上。

圖3A和3B以及4A和4B描述了進一步的結構，除了LED自身之外，所有的必要電氣/電子部件可以設置于遠離LED印制電路板并與之熱隔離，設置于GU10蓋體內。同樣地，采用了類似于圖1的編號系統。如同圖2所示的示例，這兩個示例包括在兩個獨立PCBs之間分離所述部件。在這些示例中，兩個集成電路PCBs95和135中的一個為大體圓形并且位于主體91、131的后壁的后面的絕緣材料層87、127上。這個PCB通過四條電纜連接至LED印制電路板。另一PCB97、137直立地設置于GU10蓋體89中并且通過電纜連接各自連接至PCBs95、135。這些PCBs可以由描述為獨立熱量輸出部件的任何適當材料或組合材料構成，比如，FR-4或MCPCB。同樣地，這些PCB組合完全灌注在獨立GU10蓋體內。一旦模塊完成組裝，通過在GU10中注入灌注化合物，最容易實現所述PCB組合的完全灌注。

圖3和4所示的示例使其成為結構的可選形式。在此備選中（未圖示），下層PCB95’、135’為MCPCB，該MCPCB和模塊主體86’、126’之間的材料層為導熱接口層87’、127’，并非絕熱層。在此示例中，所述模塊主體的后端壁91’、131’的外表面優選為大體扁平及平坦的，以支持熱量良好地傳遞至散熱器。這樣，PCBs95’、135’上的部件產生的熱量可以通過散熱器驅散。

本發明特別適用于包含檢測器的最新型的“智能”LED燈具及照明設備，該檢測器感應關于局部環境的信息并將該信息通信至處理器。這些照明設備提供了一種收集關于其所處環境的數據的方式。這解決了在一特定位置處的專用感應器的相關問題，比如室內恒溫器，僅覆蓋體有限區域，建筑物或住宅將包括很多燈具照明設備，每一個潛在地能夠收集數據。因此，這些照明設備收集的數據具有的粒度高于其它途徑收集的數據，由此是更有用的。然而，這給“智能”照明設備帶來了比常規LED燈更高的數據收集/存儲及數據處理能力的要求，還有通過無線或功率線通信（PLC）傳遞該數據的要求。這個要求可以對板上控制集成電路片或其它電子電路的產熱量產生重大影響。本發明允許有效地處理此額外熱量輸出，不需要讓步于LED光引擎的壽命，也不需要更大的散熱器。

雖然所述示例為GU10型燈，本技術可以采用任何類型的燈或照明設備，LED印制電路板的后面或遠處留有空間，以容納第二PCB或第二PCB組件。例如，參照圖5和6，展示了一個實施例，本發明的技術并入一耐火筒燈組件、固定裝置或單元202。所述筒燈單元202包括一光源206，該光源206以LED光引擎的形式固定至印制電路板208，形成LED模塊。在此示例中，所述電路板由具有相對低熔點（相較于耐火等級試驗溫度）的材料構成，例如，鋁或鍍鋁電路板。鋁的熔點為大約660攝氏度，遠低于實施耐火等級試驗的溫度。

在本申請的上下文中，參照熔點是電路板的結構完整性不再保持的參照溫度。在金屬電路板的情況下，此為熔點，但在陶瓷電路板的情況下，含義對于本領域的技術人員是顯而易見的。

所述筒燈單元進一步包括散熱器210，該散熱器210提供在電路板208的后側并與之良好地熱接觸，透鏡結構設置于電路板的前側。

所述電路板208與所述散熱器210通過以下描述的圓柱殼或安裝環214物理但非熱性地連接。所述電路板具有良好的導熱性，例如，由固有地具有如此性能或處理成具有如此性能的材料構成。這允許由LED光引擎產生的熱量有效地傳遞至散熱器。

術語“圓柱殼”表示近似符合中空圓柱體的形狀。應該理解的是，畸形圓柱體同樣有效。類似地，雖然本實施例展示了常見的圓形圓柱管狀體，在修改其它部件的截面形狀時，可能使用其它截面。

所述散熱器210由任何適當材料構成，優選鑄型或擠壓鋁材。所述散熱器210在下端包括一外部環形部分，用于相對于圓柱殼的上部設置。所述環形部分圍繞散熱器的端面。在所述實施例中，所述端面以環形部分為傲。

所述圓柱殼或安裝環214包括側壁，該側壁具有下外圍環形凸緣和上外圍環形凸緣，該下外圍環形凸緣從側壁的底端向外延伸以形成正面，該上外圍環形凸緣從側壁的上端向內延伸以形成具有開口的后面。所述安裝環214由任何適當材料構成，優選鋼材。應該理解的是，鋼的熔點典型地高于用于耐火等級試驗的溫度，出于這種考慮，應選取適當的鋼材。

所述上外圍凸緣倚靠散熱器210的環形部分并且圍繞散熱器的端面。這樣，可以發現，散熱器從后面封閉所述安裝環。

提供了具有依靠腿部和中心部分的支架218，彈簧偏置件或夾220安裝在每個腿部上。腿部的自由端處的腳部固定至所述安裝環214。

所述LED照明模塊的運行所需的其它電氣/電子部件（比如，驅動器204及其它控制電路部件）安裝在第二PCB或PCB組件上，位于所謂的驅動盒205內，轉而位于散熱器210中的空間或凹陷內。所述驅動盒5設置有凸緣，所述驅動盒5通過該凸緣以任何適當方式固定至散熱器210或的上部或所述支架218，同時在第二PCB與散熱器之間保持良好的隔熱。應該領會的是，這并非驅動盒的唯一可能位置，驅動盒可以位于遠離散熱器的某一適當位置，比如，安裝在支架218上。

所述散熱器210安裝在所述安裝環214上，散熱器210的正面延伸穿過安裝環214的上環形凸緣，以封閉安裝環214的后部的開口。

第一硅膠環或墊圈216設置于安裝環214的下外圍凸緣上。實踐中，此硅膠環或墊圈216在安裝環214的下外圍凸緣和裝入有筒燈固定裝置的天花板孔的邊緣之間提供了相當的空氣密封。這個密封還用于防止水或其它濕氣（比如，蒸汽）從房間進入天花板背面的空間。

所述電路板208通過延伸穿過安裝環214的緊固件222固定至散熱器210，以便散熱器210的端面與電路板208的后表面的大部分保持熱接觸。電路板的外表面的外圍徑向地延伸越過散熱器。

所述緊固件222還用于將透鏡架固定就位。透鏡架224用于將透鏡226安置就位。

所述透鏡架224固定在適當位置，以倚靠所述電路板208。

玻璃232由斜面230保持并位于該斜面內，通過安裝環214設置于透鏡226和透鏡架224的前面。第二硅膠環或墊圈234在所述斜面230和所述安裝環214之間延伸。安裝環214內玻璃232以上的空間界定一空隙，透鏡226通過透鏡架224設置于該空隙內。

所述緊固件222延伸穿過耐火材料或其它非導熱材料的環或墊圈236，該環或墊圈236設置于電路板208的外圍和安裝環214的上環形凸緣之間。這樣，電路板與安裝環214保持分離，并且不與安裝環214直接連接。

優選地，耐火材料的環或墊圈236采取膨脹性材料環的形式。

膨脹性材料的頸圈或套筒238設置于圍繞安裝環214的側壁的上部。優選地，所述耐火材料采取膨脹性材料連續套筒的形式。然而，可以替代地使用膨脹性材料非連續套筒。

所述套筒具有根據熱膨脹的足夠尺寸，膨脹性耐火材料擴展至形成耐火障礙物。應該理解的是，可以選擇連續套筒或非連續套筒的任何適當結構以實現理想的耐火等級。

在此實施例中，可以看出，所述套筒238覆蓋安裝環214的管狀體的大約一半的內表面。根據所述空隙，上邊緣位于緊固件的端部以下。套筒238的下邊緣位于斜面230之上，在使用中，斜面230在該位置處延伸進入安裝環的管狀體。

在正常使用中，固態照明單元產生的熱量從電路板移除并通過散熱器210消散。這樣，所述空隙內的熱量不足以引起耐火膨脹性材料的膨脹。

然而，萬一火的溫度高于耐火材料承受的溫度，將導致耐火材料膨脹并且以具有耐火性能的障礙物填充所述空隙。這轉而保護電路板免受如此溫度的損害，允許在耐火等級試驗期間保持筒燈組件的結構完整性。

因此，低熔點電路板和膨脹性耐火材料套筒的組合使能夠利用固態技術形成具有很大改進的使用壽命的改進耐火筒燈固定裝置，該低熔點電路板允許從照明單元至散熱器的有效直接導熱以及使第二控制PCB與散熱器熱隔離，該膨脹性耐火材料套筒僅在比正常呈現級別更高的熱量時引起膨脹。對于調節“智能”照明設備的運行所需的所有功率、控制、調光、通信及處理電路以及部件，所述散熱器210內的空隙中的空間綽綽有余。