LED灯具及其电源电路的制作方法

本发明涉及LED照明领域；更具体地说，是涉及一种汽车使用的LED灯具以及这种LED灯具使用的电源电路。

背景技术：

目前，汽车的车灯普遍使用卤素灯或者LED车灯。由于LED发光芯片具有低功率、高发光亮度、长使用寿命等优点，LED车灯的应用越来越普遍。但由于LED发光芯片工作时会产生大量热量，如果这些热量不及时导走，将导致热量的积聚而影响LED发光芯片的正常工作，产生严重光衰，甚至导致LED发光芯片的烧毁。因此，现有的LED车灯均需要设置散热器，以将LED发光芯片所产生的热量及时导走。

然而，如果仅仅设置散热器，虽然能够将LED发光芯片产生的热量导走，但是LED车灯内的温度仍可能超过LED发光芯片能够承受的最大温度，仍存在使LED发光芯片发生严重光衰甚至烧毁的风险。因此，现有的LED车灯需要其电源电路上设置温度保护电路，以避免LED发光芯片处于高温环境之中。

现有的LED车灯的电源电路包括有驱动电路以及温度保护电路，其中，驱动电路设置有驱动芯片，驱动芯片向LED发光芯片输出电流以驱动LED发光芯片工作。温度保护电路通常设置有一个热敏电阻，例如在LED电路板上设置一个正温度系数热敏电阻，当LED电路板的温度升高时，正温度系数热敏电阻的阻值也随之升高，利用热敏电阻的分压来降低流经LED发光芯片的电流，进而减小LED发光芯片所产生的热量，甚至直接关断流经LED发光芯片的电流。

但是，由于现有的LED车灯均采用单个热敏电阻，例如仅仅使用一个正温度系数的热敏电阻，单个热敏电阻的阻值随温度变化往往不够大，LED车灯的功率及光通量相对较低，如果LED车灯自身的功率超出其散热器所能承受的范围，当LED车灯的外部环境温度不相同时，例如同一地区在夏天与冬天温度差异较大，或者世界各地温度也不一样，此时往往难以确保LED车灯的温度保持在安全的范围值，例如LED车灯的散热器的温度保持在75℃以内。如果LED车灯内部温度过高时，驱动电路可能直接关闭电流，影响LED车灯的使用。

技术实现要素：

本发明的第一目的是提供一种能够在不更改散热器(例如其形状、尺寸和材质)的条件下而增大LED灯具的实际功率从而大幅增大光通量的电源电路。

本发明的第二目的是提供一种能够在不切断电流的条件下有效保护LED发光芯片不被烧坏的LED灯具使用的电源电路。

本发明的第三目的是提供一种可在不更改散热器的条件下有效增大灯具实际功率及光通量，并可在不同环境且不切断电流的条件下确保LED发光芯片的温度不会过高的LED灯具。

为了实现上述的第一及第二目的，本发明提供的LED灯具的电源电路包括：

驱动电路，驱动电路具有驱动芯片，驱动芯片向LED发光芯片输出电流；

温度控制电路，温度控制电路的输出端向驱动芯片的调光引脚输出模拟电压信号；其中，温度控制电路包括串联连接的正温度系数热敏电阻以及负温度系数热敏电阻，正温度系数热敏电阻的第一端为高电平端，正温度系数热敏电阻的第二端与负温度系数热敏电阻的第一端连接，负温度系数热敏电阻第二端为低电平端，输出端连接至正温度系数热敏电阻的第二端。

根据本发明的一种优选方案，在第一预设温度值下，正温度系数热敏电阻的阻值大于负温度系数热敏电阻的阻值，温度控制电路向驱动芯片输出的电压值为临界电压值。

更优选地，从第二预设温度值上升至第三预设温度值时，正温度系数热敏电阻的阻值增量绝对值大于负温度系数热敏电阻的阻值减量绝对值。其中，第二预设温度值可以等于或者大于第一预设温度值。

根据本发明的另一优选方案，温度控制电路还包括调试电阻，调试电阻连接在正温度系数热敏电阻的第一端与直流电源之间。

作为本发明的一种具体实施方式，温度控制电路还包括稳压芯片，稳压芯片为温度控制电路提供预设的稳定直流电压。

作为本发明的另一具体实施方式，驱动电路设置有升压电路或者降压电路，驱动芯片设置在该升压电路或者降压电路中。

为实现上述的第三目的，本发明提供的LED灯具包括LED发光芯片以及电源电路，电源电路包括：

驱动电路，驱动电路具有驱动芯片，驱动芯片向LED发光芯片输出电流；其中，驱动电路可以设置有升压电路或降压电路，驱动芯片设置在该升压电路或降压电路中；

温度控制电路，温度控制电路的输出端向驱动芯片的调光引脚输出电压信号；其中，温度控制电路包括串联连接的正温度系数热敏电阻以及负温度系数热敏电阻，正温度系数热敏电阻的第一端为高电平端，正温度系数热敏电阻的第二端与负温度系数热敏电阻的第一端连接，负温度系数热敏电阻第二端为低电平端，输出端连接至正温度系数热敏电阻的第二端。

本发明LED灯具中，优选地，在第一预设温度值下，正温度系数热敏电阻的阻值大于负温度系数热敏电阻的阻值，温度控制电路向驱动芯片输出的电压值为临界电压值；更优选地，从第二预设温度值上升至第三预设温度值时，正温度系数热敏电阻的阻值增量绝对值大于负温度系数热敏电阻的阻值减量绝对值。其中，第二预设温度值可以等于或者大于第一预设温度值。

上述LED灯具中，电源电路的器件以及LED发光芯片可以设置在例如铝基或者铜基的金属基印刷电路板的第一表面侧上，金属基印刷电路板的第二表面侧与散热器热连接。其中，金属基印刷电路板的第二侧表面可以涂有导热硅脂，导热硅脂与散热器紧贴；或者，在金属基印刷电路板的第二侧表面与散热器之间设置有导热垫片。

上述LED灯具的一种具体实施方式中，散热器上设置有固定槽，固定槽内安装有固定件，固定座设置在固定槽外，且固定座与固定件固定连接。

本发明所提供的LED灯具所使用的电源电路中，驱动电路的驱动芯片接收温度控制电路输出的电压信号，通过温度控制电路控制驱动芯片向LED发光芯片输出的电流大小，以控制LED发光芯片的功率，从而控制LED发光芯片的温度。并且，温度控制电路设置有串联连接的正温度系数热敏电阻以及负温度系数的热敏电阻，当温度变化时，例如温度升高时，正温度系数热敏电阻的阻值增加，而负温度系数热敏电阻的阻值减小，两个热敏电阻的电压变化很大，这样，温度控制电路向驱动芯片输出的电压变化也很大，从而使得加载在LED发光芯片上的电流变化很大。当温度升高时，加载在LED发光芯片上的电流迅速减小，从而可在不切断电流的条件下减小LED发光芯片所产生的热量，当温度达到第一预设值以后，温度升高得越多，电流则下降得越多，LED发光芯片的发热量也即下降得越多，且电流的下降幅度也会随温度的升高而增加，最终使温度控制在所期望的范围，例如75℃以内，进而实现对LED发光芯片的温度调节目的。并且，在不同的环境下，将达到不同的平衡点。

由于LED发光芯片温度升高时加载在LED发光芯片上的电流将迅速减小，因此可以有效避免LED发光芯片的温度过高。与现有技术相比，在确保LED发光芯片不高于相同温度且不改变散热器的情况下，应用本发明的方案后，在同一块电路板上可以集成更高功率的LED发光芯片，提高LED灯具的光通量及照明亮度。

进一步地，由于在温度升高以后，正温度系数的热敏电阻的阻值变化大于负温度系数的热敏电阻的阻值变化，进而使得加载到LED发光芯片的电流减小更加明显，更加有效的降低LED发光芯片所产生的热量，从而避免LED发光芯片的温度过高。

另外，温度控制电路上设置稳压芯片能够确保正温度系数热敏电阻的第一端的电压稳定，从而确保温度控制电路能够精确的控制向驱动芯片所输出的电压，精准的控制LED发光芯片的温度。

并且，将电源电路的器件，包括两个热敏电阻与LED发光芯片设置在金属基印刷电路板的同一面上，更加有利于热敏电阻实时根据LED发光芯片的温度改变电阻的阻值，从而使得温度控制电路向驱动芯片所输出的电压变化实时根据LED发光芯片的温度变化，从而精确的调节LED发光芯片的温度。

以下，结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明LED灯具实施例的结构图；

图2是本发明LED灯具实施例的结构分解图；

图3本发明LED灯具实施例中散热器与固定件、固定座的结构分解图；

图4是本发明LED灯具的电源电路实施例的电原理图；

图5是正温度系数热敏电阻的温度阻值曲线图；

图6是负温度系数热敏电阻的温度阻值曲线图。

具体实施方式

LED灯具实施例：

本实施例LED灯具可以是安装在汽车上的车灯，例如安装在汽车车头的照明灯，或者是汽车的转向灯。

参见图1，本实施例LED灯具10具有散热器11，并且在散热器11的横向两端分别设置有固定组件20。参见图2，在散热器11的一侧设置有一块透光板30，并且在透光板30与散热器11之间设置有一块铝基印刷电路板35；电路板35的第一表面侧上设置有多个LED发光芯片以及电源电路的器件，电源电路可以向LED发光芯片供电，以提供LED发光芯片发光所需要的电能；电路板35的第二侧表面涂有导热硅脂，导热硅脂与散热器11紧贴，以实现电路板35和散热器11的热连接。在电路板35与透光板30之间设置有多个光杯31，每一个LED发光芯片位于一个光杯31的底部，LED发光芯片发出的光线经过光杯31的反射后，再穿过透光板30。本发明中，LED发光芯片可以直接COB封装(板上芯片封装)在电路板上，或者以焊接在电路板上的LED灯珠的形式提供。

本实施例中，电源电路的器件以及LED发光芯片均设置在电路板35的同一侧上，也就是设置在远离散热器11的一侧上。由于电源电路上设置有热敏电阻，因此LED发光芯片与热敏电阻位于电路板35的同一侧上，LED发光芯片所产生的热量将及时传导至热敏电阻上。

在散热器11的纵向两端外侧分别设置有一个端盖，分别是端盖40与端盖41，端盖40与端盖41扣合在透光板30、电路板35以及散热器11的两端，从而将透光板30、电路板35以及散热器11固定。并且，在端盖40上还设置有电线42，外部的电流经过电线42流经电路板35的电源电路上。

参见图3，在散热器11的外侧，也就是远离电路板35的一侧设置有多片鳍片12，LED发光芯片所产生的热量被传导至散热器11后，可以通过鳍片12进行散热，由于鳍片12与空气的接触面积较大，因此能够快速的将热量传导至空气，从而快速的实现LED发光芯片的散热。

本实施例的每一个固定组件20均包括固定件16以及固定座21，在散热器11的下端设置有一条长条状的固定槽13，固定槽13内侧的上表面与下表面均设置有齿条15，固定件16靠近外侧的表面上也设置有齿条，当固定件16安装到固定槽13后，固定件16的齿条与固定槽13内的齿条啮合。

固定座21安装在固定槽13外，并且，固定座21的一个壁上设置有一个通孔22，固定件16的中部设置有螺纹孔，螺钉25穿过通孔22并旋入固定件16的螺纹孔内，从而实现固定座21与固定件16之间的固定。此外，固定座21靠近固定件16的一侧设置有弧形开口23，弧形开口23的表面上也设置有齿条；固定槽13外侧的上表面与下表面均设置有齿条14，齿条14可以与弧形开口23上的齿条啮合。

固定座21的另一个壁上也设置有通孔，螺钉26穿过该通孔并且将固定座21栓在汽车的安装板上，从而实现LED灯具与汽车安装板之间的固定。

LED灯具电源电路实施例：

下面结合图4介绍LED灯具的电源电路实施例。本实施例的电源电路包括驱动电路51以及温度控制电路52，其中，驱动电路51包括防反接电路、输入整流滤波电路，还包括由驱动芯片U1、储能电感L1、续流二极管D1、D2以及场效应管Q1组成的降压(BUCK)电路。其中，防反接电路包括防反接电阻R6、稳压二极管ZD1以及场效应管Q2，其作用是防止误将直流电源正负极反接时烧坏驱动芯片U1。当将直流电源正负极反接时，由于场效应管Q2不导通，电流不会流经驱动芯片U1，因此能够保护驱动芯片U1不被烧坏。只有直流电源的正负极正确连接后，场效应管Q2才会导通。

输入整流滤波电路设置在防反接电阻R6的后端，输入整流滤波电路包括相互并联的瞬态抵制二极管TVS以及滤波电容，该滤波电容的作用是平滑输入的电压波形，该TVS的作用是防止浪涌电压烧坏驱动芯片U1和场效应管Q1。这样，输入的直流电压被整流后通过降压电路向多个LED发光芯片输出稳定的电流Io，本实施例中，电流Io的设定值由电阻R1、R2、R3并联的等效电阻R决定。

图4示出六个LED发光芯片，分别是LED1至LED6，并且六个LED发光芯片分成两组，其中LED发光芯片LED1、LED3、LED5串联连接，LED发光芯片LED2、LED4、LED6串联连接，两组LED发光芯片并联连接。当然，实际使用时，可以根据实际需要设定LED发光芯片的数量，并且设定多个LED发光芯片的连接关系。

通过滤波电容C2对驱动电路的输出电压进行滤波，确保LED发光芯片接收到的电压波形更加平滑。

驱动芯片U1的第3引脚为调光引脚，调光引脚连接至温度控制电路52并接收温度控制电路52输出的模拟电压信号，本实施例中，温度控制电路52包括有稳压芯片U2，稳压芯片U2的电压输入端通过电阻R4与整流二极管D5连接至直流电源端子VIN并接收外部输入的直流电压。

本实施例的降压电路中，两个续流二极管D1、D2并联连接，驱动芯片U1的第5引脚连接至场效应管Q1的栅极，当场效应管Q1导通时，电感L1储能；当场效应管Q1截止时，电感L1向电容C2放电，从而维持向LED发光芯片输出的电压稳定。当然，本实施例在驱动电路中设置降压电路，实际应用时，也可以设计升压(BOOST)电路替代降压电路，这同样可以达到相同的效果。

稳压芯片U2的电压输出端连接有滤波电容C4，且还连接有分压电路，本实施例的分压电路包括依次串联连接的调试电阻R5、正温度系数热敏电阻PTC以及负温度系数热敏电阻NTC，其中，调试电阻R5连接在正温度系数热敏电阻PTC的第一端与直流电源之间。本实施例中，直流电源的可以为恒流源，如提供9V的稳定电压的直流电源。

由于正温度系数热敏电阻PTC与负温度系数热敏电阻NTC串联连接，并且，正温度系数热敏电阻PTC的第一端通过调试电阻R5连接至直流电源，正温度系数热敏电阻PTC的第二端与负温度系数热敏电阻NTC的第一端连接，而负温度系数热敏电阻NTC的第二端接地，因此，正温度系数热敏电阻PTC的第一端为高电平端，负温度系数热敏电阻NTC第二端为低电平端，正温度系数热敏电阻PTC的第二端与负温度系数热敏电阻NTC的第一端之间的连接点为温度控制电路52的输出端，并通过电阻RD1连接至驱动芯片U1的第3引脚。

本实施例中，驱动芯片U1的第3引脚为调光引脚，例如当驱动芯片U1的第3引脚的电压在2.5V以下并且在0.7V以上时，驱动电路51将进入模拟调光模式，由于驱动芯片U1的第3引脚与温度控制电路52的ADJ点相连接，因此可以通过控制加载到ADJ点的电压来控制驱动芯片U1是否进入调光模式。

在调光模式下，加载到LED发光芯片上的电流I大致可以通过公式1计算出来，

I≈Io×Vadj/2.5V (公式1)

公式1中，Io是驱动电路51本身的设定电流，例如Io＝U/R,其中U为LED驱动IC的采样电压，当所用的驱动IC为PT4121时，则U＝0.2V，R是电阻R1、R3、R3串联后的等效电阻。因此，根据公式1，可以推算出ADJ点的电压值Vadj，如公式2所示。

Vadj＝9V×NTC/(R5+PTC+NTC) (公式2)

公式2中，R5为调试电阻R5的电阻值，PTC和NTC分别是正温度系数热敏电阻及负温度系数热敏电阻的电阻值。由于调试电阻R5的阻值是恒定的，即不随温度的变化而变化，但是正温度系数热敏电阻PTC的阻值随温度的升高而增大，如图5所示，当温度从65℃上升至75℃时，正温度系数热敏电阻PTC的阻值从8K欧上升至100K欧。相反的，负温度系数热敏电阻NTC的阻值随温度的升高而下降，如图6所示，当温度从65℃上升至75℃时，负温度系数热敏电阻NTC的阻值从4.28K欧下降至3K欧左右。

本实施例中，调试电阻R5为普通贴片电阻，用来调试温度保护点。例如，可以将调试电阻R5的阻值设为3K欧，这样，当LED发光芯片工作并且产生热量以后，在正温度系数热敏电阻PTC以及负温度系数热敏电阻NTC周边的温度升高至65℃时，由于正温度系数热敏电阻PTC的阻值大约在8K欧，而负温度系数热敏电阻NTC的阻值在4.28K欧左右，此时根据公式2可以计算出ADJ点的电压Vadj大约是2.5V，驱动电路51进入模拟调光模式，此时电路板上的温度每升高一度，ADJ点的电压都会急剧变小，从而使得加载到LED发光芯片上的电流急剧减小，从而减少LED发光芯片所产生的热量。

例如，当温度升高到70℃时，正温度系数热敏电阻PTC的阻值大约在30K欧，而负温度系数热敏电阻NTC的阻值在3.57K欧左右，此时根据公式1可以计算出加载到LED发光芯片上的电流I大约是I＝Io×0.9/2.5＝Io×36％。随着温度的继续升高，当温度升高到75℃时，正温度系数热敏电阻PTC的阻值大约在100K欧，而负温度系数热敏电阻NTC的阻值在3K欧左右，此时根据公式1可以计算出加载到LED发光芯片上的电流I大约是I＝Io×0.25/2.5＝Io×10％。

可见，当温度上升至65℃以后，驱动电路51将进入调光模式，并且随着温度的升高，驱动芯片U1输出的电流将急剧减小，由于稳压电路的存在，加载到LED发光芯片的电压是恒定的，因此，当加载到LED发光芯片上的电流减小后，LED发光芯片的功率也相应减小，所产生的热量也相应减小，有效避免LED发光芯片的温度过高，使得LED发光芯片的温度可以控制在使电路板温度保持在65℃至75℃之间。

因此，通过选用合适阻值的调试电阻R5，并且选用参数合适的正温度系数热敏电阻PTC、负温度系数热敏电阻NTC，可以使得在第一预设温度值下，如在65℃时，温度控制电路52向驱动芯片U1输出的电压值为临界电压值，即2.5V的电压信号，使得驱动电路51进入调光模式。并且，从第二预设温度值上升至第三预设温度值时，例如从70℃上升至75℃时，正温度系数热敏电阻PTC的阻值增量绝对值大于负温度系数热敏电阻NTC的阻值减量绝对值，这样，使得从第二预设温度值上升至第三预设温度值的过程中，加载到LED发光芯片的电流急剧减小。

相比起以往的电源电路，应用本发明的方案以后，可以在相同的散热器的散热能力下，增加LED发光芯片的数量或功率，也就是将LED灯具的功率做得更大，因此，可以在不对现有的LED灯具的模具进行修改，也不增大散热器的体积与散热面积，只要对电路板上的电源电路进行调整，即可以将LED灯具的功率设计得更大。当车辆在行驶过程中，由于风速较大，散热效果更佳，安装在车辆后方的LED灯具的散热器外壳温度更低，相应的，电路板的温度也较低，则驱动芯片U1所输出的电流较高，使得LED灯具可以获得很高的光通量。因此，本发明的LED灯具可以适应全球各区域气温，并且可以确保LED灯具内的电路板的温度在75℃以内。

一个具体的例子是，采用上述散热器的现有LED车灯，LED车灯的功率最多只能设置为50W，光通量只有4300流明左右，这是因为散热器的散热能力有限，如果将LED车灯的功率设计得更高，电路板温度就会超过70℃。在采用本发明的方案后，可以在散热器结构不变的情况下，将LED发光芯片的功率设计为100W，光通量达到7100流明，而使用在欧美非洲等不同区域时，行驶的过程中，由于风速的关系，散热器的散热性能很好，散热器的温度很低，电路板的温度也很低，此时LED车灯将处于最高满功率工作状态，光通量最大。而当车辆停下来时，散热不良时，温度控制电路随即发挥作用，使LED发光芯片的功率下降，环境温度越高，则加载到LED发光芯片的电流下降得越大，从而使电路板上的温度保持在75℃以内，从而保护LED发光芯片和内部电路。

另外，本发明中的温度控制电路52是通过输出模拟电压来控制驱动电路51的工作，从而实现对LED发光芯片的电流调节，相比起使用PWM信号来调节加载到LED发光芯片的平均电流的技术，本发明的方案在进入温度控制模式时，拥有更高的光效，且不会出现啸叫和LED发光芯片闪烁的现象。

容易理解，虽然尤其适用于LED车灯，但发明的电源电路还可以应用于例如LED路灯、LED船舶灯、LED舞台灯等的其他各种LED灯具。

虽然以上通过优选实施例描绘了本发明，但应当理解的是，本领域普通技术人员在不脱离本发明的发明范围内，凡依照本发明所作的同等改进，如LED发光芯片数量的改变、所选择的正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻型号的改变等变化，应为本发明的保护范围所涵盖。