HK1148160A - 低功率白熾燈的led燈替換 - Google Patents

Description

低功率白炽灯的LED灯替换

技术领域

本申请涉及LED(发光二极管)灯，并且尤其涉及替换标准白炽灯的LED灯。

背景技术

白炽灯已经存在了一百多年。由于白炽灯的高显色指数(CRI)以及暖色温，白炽灯让人感觉愉快并且在审美上令人喜爱。然而，效率低、寿命短和能量浪费已经成为主要缺点，这迫使消费者转向诸如荧光灯的更加高效的光源。

如果不是荧光灯具有较低的CRI、物理上较大、具有闪烁效应并且包括诸如汞的有害物质，白炽灯在几十年前就已经不再使用了。

直到二十世纪八十年代后期，LED主要用作电子设备中的指示器灯。与白炽灯相比的高效率使得LED非常流行。到了二十世纪九十年代后期，开始兴起高强度LED，包括白色LED。今天，LED芯片设计和制造的发展使得其在替代白炽灯方面比以往任何时候更切实可行。

然而，存在有使LED灯流行缓慢的若干挑战：

1.较低的最大LED结点温度以及热耗散

LED以等于电压降V_D与驱动电流I_D的乘积的速率产生热，

其中P是功率而Q是由LED产生的热能。LED结点温度上升与所产生的热和所耗散的热之差有关。热耗散与散热器表面面积、不同介质和界面的热传导率以及散热器与环境温度之间的温度差有关。大多数LED具有125℃的最大结点温度并且少数制造商宣称可达180℃。从LED输出的光受到热能够多快从模片(die)耗散的限制。随着结点温度升高，LED的发光输出降低。图1是典型LED的发光输出对结点温度的曲线。

2.发光输出和效能。

发光效能是发光通量(Lm)与施加的功率(瓦特)的比值。低功率白炽灯能效的典型值是：

发光能效               LM/W

燃烧蜡烛               0.3

5W白炽灯               5

40W炽灯                12

在过去的几年中，LED能效已经得到改善并且超过了100Lm/W。通常，可用功率LED能够测量高达85Lm/W。然而，应该注意到，这些测量在25℃的结点温度以及减小的驱动电流下进行。

如先前所注意的，在模片温度增加时，发光输出降低。增加驱动电流对降低能效具有甚至更大的影响。如图2所示，随着电流增加，光输出按照非线性方式增加，但是如图3所示，电压也增加。

换句话说，如果电流I增加因数(1+K，其中0＜K＜1)，则不仅发光输出将增加因数(k+1，其中0＜k＜K)，而且LED电压V也将增加因数(1+v)。新的LED功耗将变为：

P＝(I+K)×(V+v)＝(I+K)×V+(I+K)×v

其中第一项代表仅由于电流的增加而导致的功率增加，并且第二项代表由于电流和电压的增加而导致的功率增加。

因而，增加LED电流将以降低其能效为代价增加LED输出。流明的百分比增加低于电流的增加，这将以更高的速率降低能效。

3.LED是单向光源

LED以小于半空间的锥形发射光，这使得其难于在传统的“A”型灯中使用，如图4所示。当安装在散热器上并且放置在类似灯泡的壳体中时，一些光将由封装和透镜材料吸收，这将降低系统能效。为了使LED在“A”型灯中成功实现，需要将LED升高到灯泡的中心，但是这降低了热耗散能力。

4.需要功率转换

LED是需要恒流源电源(图5)的电流驱动设备。如图3所示，由LED反映的电压是驱动电流的指数函数。由于电压源必须与LED电压匹配，因此LED不能由电压源驱动。否则，电压除以总的电路电阻之间的差将导致电流很容易超出最大LED额定并且使设备发生故障。

恒流源电源增加成本并且降低LED灯系统的可靠性和效率。5瓦特以下的反激式(fly-back)电源具有小于80％的典型效率，这将降低整个灯系统的发光能效。

电源占据了灯系统中宝贵的空间(real estate)，并且为了使电源与由LED产生的热隔离，需要采取特殊措施。

5.可调光性

调光器通过相位控制AC输入电压来控制光输出。然而，恒流电源将补偿输入电压中的任何变化以使输出电流保持恒定。存在允许可调光性的特殊电源。设计这些电源以产生与RMS输入电压成比例的输出电流。这样的电源通常更加复杂并且具有更低的效率。

图5是离线开关模式电源的方框图。需要开关模式电源来将120Vac线电压转换为低的DC电流(10mA-350mA)。5瓦特或者更小输出功率的电源几乎都是反激式的，并且具有小于80％的典型效率。如果遇到电涌(surge)，它们也易于发生故障，其中高电压的尖峰会损坏MOSFET开关，尤其是在没有结合诸如MOV(金属氧化物变阻器)的电涌抑制器时。

驱动低电压LED的另一常见方法是通过使用与AC线路串联的阻抗来限制电流并且将过量电压压降在该阻抗两端。该阻抗可以是电阻器、电容器或者电感器。电阻器是最便宜并且最容易获得的，但是损失了其耗散的能量E＝I²·R·Δt并且不能够恢复。随着源电压与LED电压之间的电压差的增加，损失增加，如图6所示。

假设V_s＝166V，V＝36V并且I＝20mA，则

电阻器两端的功率耗散是P_R＝I²×R＝2.6W

系统的效率变为

显然，该系统并不可行。

另一方案是由不耗散能量的阻抗替代R，诸如电感器或者电容器。在尺寸和数值方面电容器比电感器更可用。唯一的限制因素是电容器两端的最大可允许电压降。然而，该方案使得LED不可调光并且由于需要被额定到线电压加余量的AC电容器的大尺寸而导致电路板的尺寸增加。

如果降低功率耗散，电阻器阻抗方案将是可行的，如果降低电压差(V_s-V)，则可以实现。这通过增加串联LED的数量直到总的LED电压降接近源电压V_s来进行，源电压V_s将降低电压差(V_s-V)以及限制电流所需的R的值。

例如，假设串联连接几个LED以产生总的负载电压V＝136V。R的新值是

新的功率耗散是

P_R＝I² _负载R＝0.6W

新的系统效率变为

显然，对于电源效率的可接受范围而言，这一结果是很好的，这通过将更多的浪费功率转换为有用功率来实现。

发明内容

本发明涉及一种包括基座和升高的光源的LED灯。所述光源由串联连接并且安装在基本平坦的衬底的一侧上的第一多个LED以及串联连接并且安装在所述衬底的相对侧上的第二多个LED构成，所述衬底与所述基座间隔分开，并且所述第二多个LED定位为与所述第一多个LED基本配准。散热器在所述衬底中，所述第一和第二多个LED中的每一个LED安装在所述散热器附近。提供用于所述LED的驱动电路，所述驱动电路位于所述基座附近并且电连接到所述基座。

根据本发明的优选形式，所述基座是螺纹类型基座。所述驱动电路安装在从所述平坦的衬底延伸的电路板上，所述电路板延伸进入所述基座。

在本发明的一种形式中，所述散热器包括在所述衬底的每一侧上的至少一个导热的热岛状物，所述第一多个LED的每一个LED邻近所述衬底的所述一侧上的热岛状物，并且所述第二多个LED中的每一个LED邻近所述衬底的所述相对侧上的热岛状物。所述散热器还包括至少一个导热的热扩散体，每一个热岛状物连接到所述热扩散体。所述热扩散体定位于所述衬底中，并且延伸到所述基座。优选地，存在有第一和第二热扩散体，所述衬底的一侧上的每一个热岛状物连接到所述第一热扩散体并且所述相对侧上的每一个热岛状物连接到所述第二热扩散体。每一个热扩散体优选是一体的结构，尽管所述热扩散体可以是一系列彼此连接的导热元件。

优选地，本发明是传统灯泡的形状。因此其包括连接到所述基座的球形灯罩。所述第一和第二多个LED在所述球形灯罩内基本以弧形取向。

所述驱动电路包括电涌抑制器、整流器、平滑电容器和电阻器，所述第一多个LED和所述第二多个LED并联连接并且它们并联连接到所述电阻器。

在本发明一种形式中，所述衬底平行于从所述基座延伸的线取向。在本发明的第二种形式中，所述衬底垂直于从所述基座延伸的线取向。在本发明的所述形式中，所述散热器包括从所述基座附近延伸到所述衬底的多个导热的热扩散杆。

附图说明

在下面结合附图对实施本发明最佳模式的示例的说明中将更加详细地描述本发明，在附图中：

图1是典型LED的发光强度对结点温度的曲线图，

图2是LED的光输出对电流驱动的曲线图，

图3是LED电压对LED电流的曲线图，

图4是LED的光发射的锥形曲线图，

图5是用于LED的离线开关模式电源，

图6说明了损失如何随着源电压与LED电压之间的电压差的增加而增加，

图7是根据本发明的电路板的正视图，

图8说明了用于串联连接LED的简单电路，

图9是结合本发明使用的典型电路，

图10表示对于图9的电路的输入交流电压、整流电压以及LED电流的波形，

图11A是与图7类似的本发明的一种形式的正视图，

图11B是图11A的侧视图，

图11C是图11A和11B的衬底，示出了热扩散体，

图12A是本发明的另一形式的正视图，

图12B是本发明的另一形式的正视图，

图12C是本发明又一形式的正视图，

图13A是本发明的另一形式的透视示意图，其中LED垂直于本发明的早前实施例取向，

图13B是图13A中所示的本发明的形式作为完整灯的透视图，

图14是图13B所示的灯的分解图，以及

图15示出了图11中所示的本发明的略微变型版本，其中图15A示出了基座，图15B示出了电路和光源，并且图15C示出了球形灯罩。

具体实施方式

本发明生产基于LED的灯，其克服了现有技术的上述缺限：

·简单的稳健功率转换器

·高系统发光能效

·可调光

·有效的360°光输出

·有效的热管理系统

·对于任何低功率白炽灯的直接替换

·针对可制造性而设计

本发明利用在表面板上串联连接的多个低成本表面安装LED从而增加负载电压降以及有用的光输出和系统效率(图7和8)。这也通过将LED模片以相同的串联组合方式直接装配到印刷电路板上(板上芯片)来实现。

可以通过串联组合LED模片来封装LED发射器以在额定电流下产生高组合的LED电压。这样的LED串联将与单个LED吸入相同的电流，但是将反映与整流的源电压非常接近的电压。这与其中按照反并联的方式连接模片的首尔半导体“Acriche”LED不同，从而消除了对于整流器和将LED转换为高电压AC LED的需要。串联的组合LED导致高电压的DC LED，这将要求整流器在操作时离开AC源。优点是能够增加平滑电容器以降低电流纹波并且实现没有闪烁的稳态光源。由于整流处理位于封装内部，因此Acriche LED不考虑安装平滑电容器。

表面安装设备(SMD)的组装是自动和低成本的过程。因此关键是所有元件都是SMD类型的。这是高电压AC电容器由于很难在SMD中实现而不可行的另一原因。

图9是根据本发明的典型电路的示意图，通常标识为10。本发明结合交流源12进行描述，尽管很明显，如果直流可用，则不需要整流器。交流源12经由保险丝被提供至整流器16。整流器16整流交流电流以产生电压源，如18所示。在上述的串联电阻器20的后面是串联的LED 22以及串联的LED 24的两个并联组合。为了增加电路10的可靠性，还包括表面安装MOV(金属氧化物变阻器)电涌抑制器26。平滑电容器28降低电流纹波并且消除闪烁。

通过增加更多的串联LED可以进一步改善效率，因而增加总的电压降。

通常，使ΔV＝V_s-V，ΔV是电阻器20两端的电压。对于给定的负载电流I，

并且P_R＝I×ΔV

低ΔV的负面效应是较差的调节。由于LED电压降对电流(图3)不敏感，输入电压的变化将仅适应于ΔV，这将使电流以成比例的方式改变。

如果δV是源电压V_s的变化，则现在是常数的R将发生相同的变化。新的电流将变为

其中δV可以是正或负。使δI表示负载电流的变化。则

可以将调节定义为输出的百分比变化：

为了最小化作为输入变化的输出中的变化，使调节尽可能地小。但是用于调节的较低值意味着对于ΔV的较大值，如早前所述，这增加了损失并且降低了效率。回忆到

并且效率

本发明的一个目标在于指定对于源电压V_s中的给定变化δV的最大可接受调节。这将限定最小ΔV，其将用于确定R和系统的效率。

图10表示输入AC电压、整流电压以及LED电流的波形。

在以相对较低的电流驱动时，LED最高效，这时损失是最低的。然而，这也意味着总流明较低。例如，如果LED在0.03W下具有100Lm/W的效率，则其输出将是3流明。高效的LED并不必然意味着亮的LED。相反，最高效的LED可以很暗以至于其无法用作照明光源。

一些现有LED由多个较小LED构成，安装在绝缘的铝衬底上，但是串联设置并且并联组合，这保持总的LED电压较低并且保持其电流较高。由于将LED封装得彼此接近，对于全部光的出射将是低效的，其中的部分光将由相邻LED吸收。以高电流驱动LED将进一步降低能效。

在本发明中，将低成本效率的LED 22和24串联设置在印刷电路板或者衬底的两层上以最大化总的流明输出并且降低吸收。以低电流驱动LED以保持能效较高。通过增加LED的数量来补偿低流明输出。由于LED尺寸小型化并且表面安装元件的PCB布置成本较低，因此唯一不利是LED成本。

考虑两个发光强度，15瓦特/75Lm以及25瓦特/200Lm，的等效白炽灯的LED灯。

对于75Lm系统，串联设置36个LED，在电路板每一侧上的相同位置中分别设置18个LED。图7示出了该系统并且以10mA的LED电流根据图9中的示意图进行驱动。该电流下每一个LED的流明输出是2流明，以1.2W的总输入功率产生总计75流明以及60Lm/W的总的系统发光能效。

高输出版本具有36个LED的两个并行电路，每一个并行电路位于PCB的每一侧上，如图11A-11C所示。将对于每一个串联电路的LED电流增加到30mA。

由于将LED设置和安装在灯内部的该方法，更多的流明由于较少的吸收和阻挡而离开灯。

尽管每一个电路中大数量的LED将确保相同的电流共享，但是对于每一个电路10增加串联电阻器30以有助于耗散由于较高输出导致的损失增加并改善电流共享。也可以增加表面安装MOV电涌抑制器26和保险丝14以增加可靠性。

尽管先前讨论局限于两个功率等级，但是也可以应用相同原理以实现等效40瓦特或者更高的更高功率。通过利用更多的LED并且降低驱动电流，可以增加总的系统能效。

LED的亮度受到最大结点温度的限制。在大多数情况中，结点温度是125℃。假设结点与壳体(case)之间具有10℃的温度差，则根据经验维持不高于95℃的壳体温度，并且具有15℃的余量。从LED结点耗散的热越多，可实现的光输出就越高。

对于现有技术的6瓦特或者更高功率的LED灯，通常应用外部散热器，将LED直接放置在该散热器上，这降低了其易感性(affectivity)并且增加了成本。

本发明提供LED热耗散的替代方法。不是通过外部散热器从一个功率LED耗散热，而是多个低功率LED 24和26通过位于多层PCB板或者衬底36的顶层和底层上的热扩散体铜岛状物32和34耗散它们的热。岛状物32和34向铜热扩散器38和40的两个内层传输热。每一个铜热扩散器与外层上的热岛状物32和34非常接近。内部扩散器38和40在内部向灯的螺纹基座42传导热，这进而将通过固定设备和电导线(未示出)耗散出热。由于螺纹基座42连接到AC线路，其需要与电路10的剩余部分完全绝缘。外部岛状物32和34以及内部热扩散体38和40之间的衬底36的核心厚度应该具有安全标准允许将热阻降低到最小并且最大化热传输的最小厚度。

由于在本发明中通过传导到螺纹基座来耗散热，可以将灯放置在密封的球形灯罩44内部(图12A等)，而没有空气循环。由于LED被升高并且更加可见，因此也将允许更多的光辐射。

在LED衬底36的底部，通过印刷电路板通孔将热扩散体38和40热结合到一起，该印刷电路板通孔是为了通过从一层向另一层热传导热而最大化到螺纹基座的功率耗散而在电路板的不同层上的迹线之间提供电连接的方式。

LED 22和24以弧形结构设置在衬底36上，这与白炽灯泡的灯丝类似，保持其经典外形。将系统的功率转换部分安装在衬底36的电路板部分上以最小化成本并且简化装配。所有元件都是允许自动化的表面安装设备。

将LED 22和24对准地放置在衬底36的每一侧上，优选在完全相同的位置上，这给出透明的印象。由于不使用外部散热器，球形灯罩24可以完全由透明材料制成，将LED 22和24升高到最大流明能效。为了更好地与白炽灯类似，LED的相关色温(CCT)应该是2800°K，这与白炽灯的接近，并且显色指数(CRI)典型地应该是95。效果将是建立白炽灯泡的相同应用、效果和外观。

将LED精确地放置在衬底36的任意侧上以使衬底不可见。效果是对于观察者来说只看见光的迹线。取决于所需的效果，可以改变LED的形状和结构。

图12A示出了A19类型灯，并且图12B和12C说明了B10类型灯。本发明允许在包括装饰灯的任何白炽灯应用中使用这种结构的LED。设置LED的模式并不局限于图12中所示的情况，并且可以扩展到任何结构以产生任何期望的效果。

图13A、13B和14是本发明的其它实施例，其中热收集器是结合到热岛状物的固体杆46。在这种情况中，该灯将保持与经典白炽灯更多的相似。元件与本发明的第一种形式相同，但是由于衬底是水平的，所有元件都具有标识符“a”。电源电路10位于灯的螺纹基座42中。

LED 22和24可以结合到成型为灯丝的塑料聚合体中。可以设置LED 22和24以照明聚合体，这将有效地传导光并且给出连续灯丝光亮的印象。

另一实施例在于以相同模式(板上芯片)将LED模片直接安装在衬底36上，并且向所有模片应用磷光粉。这将使LED模片组作为一体发光。由于不是单独封装LED，因此也可以降低LED成本。

电阻阻抗R的选择使得可以按照与白炽灯类似的方式与传统的双向晶闸管调光器使用。唯一的限制在于必须高于双向晶闸管保持电流的LED电流，这通常是由于通常在枝形吊灯中将低强度B10类型灯设置为5个或者更多的组的情况。

本发明由三个主要部分(图15)、螺纹基座42、LED电路10和球形灯罩44构成。通过首先焊接中间端子，然后通过将板侧结合到螺纹基座42的筒体上而将承载LED的衬底36安装在螺纹基座42中。这将确保电接触并且提供热通路以向螺纹基座42以及作为延伸的散热器的电导线(未示出)传导由LED 22和24产生的热。

在不偏离本发明的精神以及下面权利要求的范围的情况下，可以对本发明进行各种修改。

Claims (15)

1.一种LED灯，包括：

a.基座；

b.升高的光源，包括：

i.串联连接并且安装在基本平坦的衬底的一侧上的第一多个LED，所述衬底与所述基座间隔分开，以及

ii.串联连接并且安装在所述基本平坦的衬底的相对侧上并且数量与所述第一多个LED相等的第二多个LED，所述第二多个LED定位为与所述第一多个LED基本对准，

b.所述衬底中的散热器，所述第一和第二多个LED中的每一个LED安装在所述散热器附近，以及

c.用于所述LED的驱动电路，所述驱动电路定位于所述基座附近并且电连接到所述基座。

2.如权利要求1所述的LED灯，其中所述基座是螺纹类型基座。

3.如权利要求1所述的LED灯，其中所述驱动电路安装在从所述平坦的衬底延伸的电路板上，所述电路板延伸进入所述基座。

4.如权利要求1所述的LED灯，其中所述散热器包括在所述衬底的每一侧上的至少一个导热的热岛状物，所述第一多个LED中的每一个LED邻近所述一侧上的热岛状物，并且所述第二多个LED中的每一个LED邻近所述相对侧上的热岛状物。

5.如权利要求4所述的LED灯，其中所述散热器包括至少一个导热的热扩散体，每一个热岛状物连接到所述热扩散体。

6.如权利要求5所述的LED灯，其中所述热扩散体定位于所述衬底中，所述热扩散体延伸到所述基座。

7.如权利要求5所述的LED灯，包括第一和第二热扩散体，所述衬底的所述一侧上的每一个热岛状物连接到所述第一热扩散体并且所述相对侧上的每一个热岛状物连接到所述第二热扩散体。

8.如权利要求7所述的LED灯，其中所述热扩散体是一体的。

9.如权利要求1所述的LED灯，包括连接到所述基座的球形灯罩。

10.如权利要求1所述的LED灯，其中所述第一和第二多个LED基本以弧形取向。

11.如权利要求1所述的LED灯，其中所述驱动电路包括电涌抑制器、整流器、平滑电容器和电阻器，所述第一多个LED和所述第二多个LED并联连接到所述电阻器。

12.如权利要求1所述的LED灯，其中所述衬底平行于从所述基座延伸的线取向。

13.如权利要求1所述的LED，其中所述衬底垂直于从所述基座延伸的线取向。

14.如权利要求13所述的LED灯，其中所述散热器包括从所述基座附近延伸到所述衬底的多个导热的热扩散杆。

15.如权利要求14所述的LED灯，其中所述散热器包括在所述衬底的每一侧上的至少一个导热的热岛状物，所述第一多个LED中的每一个LED邻近所述一侧上的热岛状物，并且所述第二多个LED中的每一个LED邻近所述相对侧上的热岛状物。