改进的LED灯具及照明设备的制作方法

本发明涉及LED光引擎、LED灯具及LED照明设备，尤其适用于板驱动器和/或板控制集成电路上包含的LED灯具及LED产品。

背景技术：

LED照明设备及灯具越来越流行，并且随着照明输出在数量和质量上的改进，这种流行性未来将继续增长。在包括LED模块的照明单元中，防止LED模块过热很重要，因为过热会严重地减少照明单元的使用寿命，导致LED灯具/照明设备的过早失效。

在很多当前可用的LED灯具及照明设备中，一个或多个LED模块连同其相关驱动器以及其它控制部件一起安装在同一印制电路板上，该同一印制电路板通常为金属印制电路板（MCPCB）（通常由铝构成），并且与散热器紧密地热接触。这个结构允许从LED模块迅速转移热量。

随着LED进入主流照明应用，消费者希望模仿传统照明单元（比如，白炽灯和荧光灯）进行操作。这包括能够使LED变暗以及能够通过适当设计的App利用手持设备（比如，智能手机和平板）远程地控制LED。进一步地，新一代的“智能”灯具照明设备开始变得可用，其包括检测器，该检测器感应关于局部环境的信息并且将此信息通信至处理器。这些灯具照明设备是收集关于其所在的环境的数据的一种方式。这解决了在一特定位置处的专用感应器的相关问题，比如室内恒温器，仅覆盖体有限区域，建筑物或住宅将包括很多灯具照明设备，每一个能够收集数据。因此，这些照明设备收集的数据具有的粒度高于其它途径收集的数据，由此是更有用的。

这些多方面的优点必然地要求额外的处理能力，通常以具有增加功能的控制集成电路（IC）的方式，增加功能包括数据存储能力和无线通信功能。除了LED产生的热量之外，这些增加功能都会产生大量的热量，导致需要更多的散热器，以便保持LED金属印制电路板的温度降至可接受水平。

本发明的一个目的在于解决或缓解以上概述的一些或全部问题。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了根据权利要求1所述的LED照明模块。例如，提供了一种LED照明模块，包括

（1）LED模块，其包括位于第一印制电路板上的一个或多个单一LED；

（2）散热器，所述第一印制电路板与所述散热器良好地热接触，以便LED的热量通过所述散热器驱散；

（3）第二印制电路板，其适于容纳用于LED的功率及控制电路；

其中，所述第二印制电路板与所述散热器和所述第一印制电路板热隔离，并且由此与所述LED模块热隔离。

通过将LED印制电路板上的LED用作主要的发热部件，通过分离所述LED印制电路板，由此在LED在使用中从控制电路和需要功率的部件产生的热量以及控制LED所产生的热量，并且通过在一个或多个独立印制电路板上安装非LED部件，可以增加LED的照明输出和/或增加LED照明模块的使用期限。当LED照明模块使用在减少空气循环的应用，比如在封闭或耐火等级照明设备中，尤为特别。例如，通过利用本发明，可以实现25000小时的寿命或大于70%的流明维持率。假设灯/照明设备周围具有一些自由空气空间。应该领会的是，如果LED照明模块周围有受限气流，比如由绝缘材料覆盖体，则预期寿命会稍微减少。

所述第一PCB和所述第二PCB之间的热绝缘可以采取各种形式。例如，可以采取片状或层状的绝缘材料的形式，如果第二PCB位于封闭空间则可采取灌注化合物的形式，或者以在所述第一和第二PCBs之间利用或不利用额外绝缘材料的空气缝隙的形式。

优选地，所述第二PCB进一步包括用于控制LED模块的亮度的调光电路部件。

优选地，所述第一PCB包括金属PCB，更优选地，该金属PCB包括铝。铝PCB或由其它材料构成的PCB具有高传热系数，最有效地将热量从LED转移至散热器。

优选地，所述第一PCB和所述散热器之间提供有导热接口。适当的导热接口例如是导热脂、导热垫、石墨箔或导热丙烯酸薄膜。

优选地，所述第二PCB包括玻璃强化环氧树脂层合片，比如FR-4。

在进一步的优选实施例中，所述第二PCB进一步包括金属PCB。当控制电路包括产生大量热量的集成电路，大量热量使集成电路安装在独立金属PCB上，以某种方式连接至所述第二PCB以形成第二PCB组件。将所述第二PCB上的主要发热部件分离至独立金属芯PCB上，这在控制延长操作期间产生的热量中带来显著优势。优选地，这个金属PCB包括铝。

优选地，所述散热器包括主体，该主体由包括导热材料的材料构成。这样，所述LED照明模块的灯体也是散热器，其优选地由铝形成或包括铝。

有利地，所述灯体采取大体截头圆锥形的大体中空形式，该截头圆锥在其狭窄端处或附近被具有正面及后面的后壁所封闭。这包括常规GU10灯体的形状。

优选地，所述后壁的正面是大体平坦的。这是组装后所述LED印制电路板与所述散热器的后壁紧密地热接触的区域，保持这个区域平坦会改进传热。

优选地，所述散热器主体并有多个翅片，以避免散热器的热对流，并且优选地，一些或全部翅片位于所述主体内部。

优选地，所述绝热材料包括塑性材料盘，该塑性材料盘靠在所述散热器主体的后壁的后面。

优选地，所述LED照明模块进一步包括灯头配件，该灯头配件优选为GU10配件。这使得所述第二PCB能够容纳在所述GU10盖体配件内。

在一个特别优选的实施例中，所述绝热材料包括灌注化合物，该灌注化合物围绕所述第二PCB或第二PCB组合以将其封装以及使其与所述散热器和所述第一PCB热隔离。

优选地，所述照明模块进一步包括透镜、透镜架及透镜盖体。

本发明还包括并有如上所述的LED照明模块的灯具。

附图说明

仅以示例的方式，参照附图，对本发明进行描述，其中：

图1A和1B展示了在单一第二PCB上带有控制部件的非调光照明模块的分解图；

图2展示了在并有补充PCB的第二PCB上带有调光及控制部件的可调光LED照明模块的分解图；

图3A和3B展示了控制部件分布在两个PCBs之间的GU10缝隙内的非调光LED照明模块的分解图；

图4A和4B展示了图3A和3B所示的LED照明模块的可调光版本的分解图；

图5展示了根据本发明的第二实施例的筒灯设计的剖面图；

图6展示了图5的筒灯设计的分解部件图。

具体实施方式

在本发明的上下文中，术语“LED照明模块”是指一种功能性LED光引擎及其相关控制电路，比如，能量、调光器和/或控制集成电路或电子器件。术语“LED模块”是指安装在适当PCB上的一个或多个LED光引擎，带有或不带有任何相关的控制电路。

参照图1A和1B，展示了根据本发明的LED照明模块的分解图。在此示例中，本发明以GU10灯10表示。所述灯10包括GU10盖体19、照明灯体16（还用作散热器）、透镜架13、透镜12及盖体11。这些部件类似于现有GU10灯中的部件。LED照明模块中的LED模块的机构和定位、相关能量管理及能量变换、驱动、调光、控制及感应部件使得本发明不同于已知的照明模块。更具体地，提供了LED板14，该LED板上安装有LED20。其它电子部件安装在远离LED印制电路板的别处，可能例外的是二极管25，以保护LED不受反向击穿电压。所述LED印制电路板和LED20与照明主体的后端壁21的内侧良好地热接触。此良好热接触可能通过导热接口材料加强，比如，导热脂、导热垫、石墨箔、导热丙烯酸薄膜或导热纳米复合材料或聚合物。应该理解的是，任何适当导热材料可以用于此目的。所述主体16的后端壁21的正面是大体平坦的，以促进LED印制电路板的后部的整个表面区域上的热传递。

根据电气/电子部件产生热负荷，所述LED20是安装在LED印制电路板14上的唯一此类部件，因此，仅有LED产生的热量传递至照明设备灯体16并由其驱散。多个内部直热翅片22并入所述主体16，以辅助散热过程。

所述照明设备主体还提供了多个孔或狭缝23，该多个孔或缝23设计用于辅助空气循环以及由此辅助散热。

应该领会的是，虽然多个翅片或狭缝有利于辅助散热，一个大的翅片和/狭缝就已足够。

所述LED照明模块的运行所需的其它电气/电子部件设置于独立的第二PCB18上，在此例中，该独立第二PCB18的尺寸和形状设计用于匹配进GU10盖体19。这些部件包括但不限于驱动部件、能量管理及能量变换部件以及控制部件。提供调光功能的调光部件同样并入此板或GU10盖体内的另一独立PCB（见图2和4及以下相关描述）。

这个第二PCB18优选地由玻璃强化环氧树脂层合片构成，比如FR-4，并且利用灌注化合物密封在GU10盖体19内，进一步使此第二PCB上的部件产生的热量与散热器隔离，由此与LED自身隔离。为了改进隔热，绝缘材料层17可选地设置于所述照明设备主体的后端壁21的外侧，作为朝向GU10盖体19的侧面。任何适当绝缘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。

虽然所述灯体16已描述为由铝制成，可以使用金属或非金属的任何导热材料。由于高导热性、成本合理及铸造或作业简单，铝通常是优先选择。第一金属印制电路板14和第二集成电路印制电路板18通过电缆24以常规方式相连。在此例中，提供了四条电缆，因为LED及驱动为三级设计，带有3个阴极和1个阳极。应该领会的是，在此例所述的结构中，仅有LED产生的热量必须通过散热器驱散。因此，可能加强驱动LED以便增加器照明输出和/或延长LED使用寿命。

图2展示了另一GU10灯，该GU10灯在此例中是可调光的。采用了与图1中使用的类似的编号系统。调光功能所需的控制电路及附加电路包含在复合PCB48中，该复合PCB48同样容纳在GU10盖体49中。集成电路板48具有两个部分，包括环氧树脂层压板57（例如，由FR-4制成的PCB）以及与PCB57大体成直角安装的MCPCB55。所述金属PCB55载有主控制集成电路56，在包括调光功能时具有更高热量输出，由此优选地安装在MCPCB上。这两个板可能通过焊接接头或更优选地通过插电式结构相连。如前述示例，双重集成电路板48完全灌注在GU10盖体内，并且绝缘材料层47提供与散热器主体46的进一步的热隔离。

如图2所示，板55大体垂直于板57的PCB结构仅是众多可能结构中的一种。例如，较小板55以夹层式结构设置于板57上。

图3A和3B以及4A和4B描述了进一步的结构，除了LED自身之外，所有的必要电气/电子部件可以设置于远离LED印制电路板并与之热隔离，设置于GU10盖体内。同样地，采用了类似于图1的编号系统。如同图2所示的示例，这两个示例包括在两个独立PCBs之间分离所述部件。在这些示例中，两个集成电路PCBs95和135中的一个为大体圆形并且位于主体91、131的后壁的后面的绝缘材料层87、127上。这个PCB通过四条电缆连接至LED印制电路板。另一PCB97、137直立地设置于GU10盖体89中并且通过电缆连接各自连接至PCBs95、135。这些PCBs可以由描述为独立热量输出部件的任何适当材料或组合材料构成，比如，FR-4或MCPCB。同样地，这些PCB组合完全灌注在独立GU10盖体内。一旦模块完成组装，通过在GU10中注入灌注化合物，最容易实现所述PCB组合的完全灌注。

图3和4所示的示例使其成为结构的可选形式。在此备选中（未图示），下层PCB95’、135’为MCPCB，该MCPCB和模块主体86’、126’之间的材料层为导热接口层87’、127’，并非绝热层。在此示例中，所述模块主体的后端壁91’、131’的外表面优选为大体扁平及平坦的，以支持热量良好地传递至散热器。这样，PCBs95’、135’上的部件产生的热量可以通过散热器驱散。

本发明特别适用于包含检测器的最新型的“智能”LED灯具及照明设备，该检测器感应关于局部环境的信息并将该信息通信至处理器。这些照明设备提供了一种收集关于其所处环境的数据的方式。这解决了在一特定位置处的专用感应器的相关问题，比如室内恒温器，仅覆盖体有限区域，建筑物或住宅将包括很多灯具照明设备，每一个潜在地能够收集数据。因此，这些照明设备收集的数据具有的粒度高于其它途径收集的数据，由此是更有用的。然而，这给“智能”照明设备带来了比常规LED灯更高的数据收集/存储及数据处理能力的要求，还有通过无线或功率线通信（PLC）传递该数据的要求。这个要求可以对板上控制集成电路片或其它电子电路的产热量产生重大影响。本发明允许有效地处理此额外热量输出，不需要让步于LED光引擎的寿命，也不需要更大的散热器。

虽然所述示例为GU10型灯，本技术可以采用任何类型的灯或照明设备，LED印制电路板的后面或远处留有空间，以容纳第二PCB或第二PCB组件。例如，参照图5和6，展示了一个实施例，本发明的技术并入一耐火筒灯组件、固定装置或单元202。所述筒灯单元202包括一光源206，该光源206以LED光引擎的形式固定至印制电路板208，形成LED模块。在此示例中，所述电路板由具有相对低熔点（相较于耐火等级试验温度）的材料构成，例如，铝或镀铝电路板。铝的熔点为大约660摄氏度，远低于实施耐火等级试验的温度。

在本申请的上下文中，参照熔点是电路板的结构完整性不再保持的参照温度。在金属电路板的情况下，此为熔点，但在陶瓷电路板的情况下，含义对于本领域的技术人员是显而易见的。

所述筒灯单元进一步包括散热器210，该散热器210提供在电路板208的后侧并与之良好地热接触，透镜结构设置于电路板的前侧。

所述电路板208与所述散热器210通过以下描述的圆柱壳或安装环214物理但非热性地连接。所述电路板具有良好的导热性，例如，由固有地具有如此性能或处理成具有如此性能的材料构成。这允许由LED光引擎产生的热量有效地传递至散热器。

术语“圆柱壳”表示近似符合中空圆柱体的形状。应该理解的是，畸形圆柱体同样有效。类似地，虽然本实施例展示了常见的圆形圆柱管状体，在修改其它部件的截面形状时，可能使用其它截面。

所述散热器210由任何适当材料构成，优选铸型或挤压铝材。所述散热器210在下端包括一外部环形部分，用于相对于圆柱壳的上部设置。所述环形部分围绕散热器的端面。在所述实施例中，所述端面以环形部分为傲。

所述圆柱壳或安装环214包括侧壁，该侧壁具有下外围环形凸缘和上外围环形凸缘，该下外围环形凸缘从侧壁的底端向外延伸以形成正面，该上外围环形凸缘从侧壁的上端向内延伸以形成具有开口的后面。所述安装环214由任何适当材料构成，优选钢材。应该理解的是，钢的熔点典型地高于用于耐火等级试验的温度，出于这种考虑，应选取适当的钢材。

所述上外围凸缘倚靠散热器210的环形部分并且围绕散热器的端面。这样，可以发现，散热器从后面封闭所述安装环。

提供了具有依靠腿部和中心部分的支架218，弹簧偏置件或夹220安装在每个腿部上。腿部的自由端处的脚部固定至所述安装环214。

所述LED照明模块的运行所需的其它电气/电子部件（比如，驱动器204及其它控制电路部件）安装在第二PCB或PCB组件上，位于所谓的驱动盒205内，转而位于散热器210中的空间或凹陷内。所述驱动盒5设置有凸缘，所述驱动盒5通过该凸缘以任何适当方式固定至散热器210或的上部或所述支架218，同时在第二PCB与散热器之间保持良好的隔热。应该领会的是，这并非驱动盒的唯一可能位置，驱动盒可以位于远离散热器的某一适当位置，比如，安装在支架218上。

所述散热器210安装在所述安装环214上，散热器210的正面延伸穿过安装环214的上环形凸缘，以封闭安装环214的后部的开口。

第一硅胶环或垫圈216设置于安装环214的下外围凸缘上。实践中，此硅胶环或垫圈216在安装环214的下外围凸缘和装入有筒灯固定装置的天花板孔的边缘之间提供了相当的空气密封。这个密封还用于防止水或其它湿气（比如，蒸汽）从房间进入天花板背面的空间。

所述电路板208通过延伸穿过安装环214的紧固件222固定至散热器210，以便散热器210的端面与电路板208的后表面的大部分保持热接触。电路板的外表面的外围径向地延伸越过散热器。

所述紧固件222还用于将透镜架固定就位。透镜架224用于将透镜226安置就位。

所述透镜架224固定在适当位置，以倚靠所述电路板208。

玻璃232由斜面230保持并位于该斜面内，通过安装环214设置于透镜226和透镜架224的前面。第二硅胶环或垫圈234在所述斜面230和所述安装环214之间延伸。安装环214内玻璃232以上的空间界定一空隙，透镜226通过透镜架224设置于该空隙内。

所述紧固件222延伸穿过耐火材料或其它非导热材料的环或垫圈236，该环或垫圈236设置于电路板208的外围和安装环214的上环形凸缘之间。这样，电路板与安装环214保持分离，并且不与安装环214直接连接。

优选地，耐火材料的环或垫圈236采取膨胀性材料环的形式。

膨胀性材料的颈圈或套筒238设置于围绕安装环214的侧壁的上部。优选地，所述耐火材料采取膨胀性材料连续套筒的形式。然而，可以替代地使用膨胀性材料非连续套筒。

所述套筒具有根据热膨胀的足够尺寸，膨胀性耐火材料扩展至形成耐火障碍物。应该理解的是，可以选择连续套筒或非连续套筒的任何适当结构以实现理想的耐火等级。

在此实施例中，可以看出，所述套筒238覆盖安装环214的管状体的大约一半的内表面。根据所述空隙，上边缘位于紧固件的端部以下。套筒238的下边缘位于斜面230之上，在使用中，斜面230在该位置处延伸进入安装环的管状体。

在正常使用中，固态照明单元产生的热量从电路板移除并通过散热器210消散。这样，所述空隙内的热量不足以引起耐火膨胀性材料的膨胀。

然而，万一火的温度高于耐火材料承受的温度，将导致耐火材料膨胀并且以具有耐火性能的障碍物填充所述空隙。这转而保护电路板免受如此温度的损害，允许在耐火等级试验期间保持筒灯组件的结构完整性。

因此，低熔点电路板和膨胀性耐火材料套筒的组合使能够利用固态技术形成具有很大改进的使用寿命的改进耐火筒灯固定装置，该低熔点电路板允许从照明单元至散热器的有效直接导热以及使第二控制PCB与散热器热隔离，该膨胀性耐火材料套筒仅在比正常呈现级别更高的热量时引起膨胀。对于调节“智能”照明设备的运行所需的所有功率、控制、调光、通信及处理电路以及部件，所述散热器210内的空隙中的空间绰绰有余。