CN101619814B - 直嵌式大功率led照明模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直嵌式大功率LED照明模块，包括PCB板，所述照明模块包括LED模块和恒流驱动模块，所述LED模块与恒流驱动模块相连且直嵌设置在PCB板的表面，所述LED模块包括LED芯片和铜漫反射灯杯，所述铜漫反射灯杯包括铜质杯身和设置在铜质杯身顶部的内凹的反射杯腔，所述铜漫反射灯杯的杯座嵌置于PCB板内部且反射杯腔显露于PCB板外部，所述LED芯片设置在反射杯腔内部，本发明采用芯片直嵌式的策略，并通过铜漫反射灯杯工艺，降低了二次组装成本，改善了热传导效率，同时实现了非环氧型光束变换，极大的增强了白光LED的外量子效率，并避免环氧树脂黄化带来的严重光衰。

Description

直嵌式大功率LED照明模块

技术领域

本发明涉及LED照明应用领域，特别涉及一种直嵌式大功率LED照明模块。

背景技术

上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。然而照明需用的白色光LED仅在近年才发展起来，对于一般照明，在工艺结构上，白光LED一般采用两种方法形成。第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；第二种是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。

白光发光二极管是一种高效环保的半导体电光转换光源，具有很多相对于传统光源的优点，受到极大关注。首先，其高电光转换效率已达161流明/瓦(lm/W)，而传统光源，如HID灯仅为为90lm/W，白炽灯则是20lm/W；由此可见其节能效果显著；其次，LED采用低压供电方式，安全可靠，事故率低；此外，发光二极管不仅仅在生产上所需的能源和材料少，它还有体积小、无热辐射及无水银等有毒物质污染的优点。因此，LED照明已被视为二十一世纪最有潜力的高效环保节能技术。

对于大功率照明(如10000-lm的路灯)应用来说，单芯片封装LED发出的流明数(或光通量)不足以达到通用光源所需，因此，大功率LED照明一般采用多芯片串并结构组合的方式。

现有大功率白光LED照明封装主要利用传统的指示型结构和功率型表面封装结构进行简单串并集成。其中，传统指示型结构的外部采用环氧树脂进行光束整形变换，散热困难，而且在使用过程中，由于环氧树脂老化而产生的黄化现象容易导致LED色温改变和出光率衰减；而表面封装模块的散热性能虽然有显著提高，但是需要在封装时进行二次光学处理，使生产成本大大提高。

另外，在传统的串并结构中，当热量累积致使一个LED晶体脱落、破裂或者金线断裂时，会导致整串LED“死灯”的现象；其次，由于LED性能参数的随机性，部分LED的电流应力过大、热应力过高，使这些LED的性能参数变坏以至老化，这时LED的电光转换效率和光通量大大降低，老化的LED产生过多热量并引起电参数漂移，还可能耦合到其他LED，严重影响整体工作性能，导致光源整体老化。

终上所述，现有结构所导致的热量累积和电流耦合会严重影响发光二极管的光效和寿命，再加上复杂的驱动特性和较为昂贵的的封装加工成本，以上这些问题一直困扰着白光LED向大功率功能照明的道路大步迈进。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种直嵌式大功率LED照明模块，能够解决大功率功能性照明的白光LED模块所存在的光效、成本、使用灵活度和可靠性等问题。

本发明的直嵌式大功率LED照明模块，包括PCB板，所述照明模块包括LED模块和恒流驱动模块，所述LED模块与恒流驱动模块相连且直嵌设置在PCB板的表面，所述LED模块包括LED芯片和铜漫反射灯杯，所述铜漫反射灯杯包括铜质铜质杯身和设置在铜质杯身顶部的内凹的反射腔，所述铜漫反射灯杯的铜质杯身嵌置于PCB板内部且反射腔显露于PCB板外部，所述LED芯片设置在反射腔内部。

进一步，所述LED模块的数量至少为两个，所述每一LED模块均集成有一冗余驱动模块，所述LED模块依次串联形成LED模块组，所述LED模块组的正、负两端分别与恒流驱动模块电连接；

进一步，所述恒流驱动模块包括比较器I1、NMOS管Q1、稳压二极管W1、电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3和限流电阻R4，所述比较器I1的同相输入端通过限流电阻R4接电源Vcc，同时通过稳压二极管W1接地，所述比较器的反相输入端通过电阻器R2和R3接地，所述比较器的输出端通过电阻器R1与NMOS管的栅极相连，所述NMOS管的源极经电阻器R3接地，NMOS管的漏极与LED模块组的负端相连接，所述LED模块组的正端与电源Vcc相连接；

进一步，所述冗余驱动模块包括NMOS管Q2，所述NMOS管Q2的漏极与对应的LED芯片正极相连，所述NMOS管Q2的源极与对应的LED芯片负极相连，所述NMOS管Q2的栅极通过电阻R5与漏极连接，同时NMOS管Q2的栅极还通过具有正温度系数的热敏电阻R6与源极连接；

进一步，所述LED芯片的正、负极通过金线与PCB板上的对应焊盘相连接；

进一步，所述LED模块包括外罩，所述LED芯片及对应焊盘通过外罩密封；

进一步，所述PCB板为MCPCB板。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过铜漫反射灯杯工艺进行光束整形，实现了非环氧型光束变换；采用倒T铜质杯座，改善了热传导性，简化了加工工艺，提高了灯杯几何参数的一致性；采用芯片直嵌式的策略，降低了二次组装成本，同时极大的增强了发白光LED的外量子效率，并避免环氧黄化带来的严重光衰；

2.本发明根据LED的串联断路特性以及芯片温度敏感特性，采用冗余电路对LED串的直接集成，避免了部分断路导致整串死灯以及温度不均匀分布导致的局部芯片加速老化，延长了本模块的使用寿命；

3.在模块封装中同时利用廉价、高效的PWM恒流电路，实现模块各LED工作电流相等，改善外部输入电压的使用条件，避免了传统的基于线性恒流电路效率低下的情况，提高基于提出的白光LED封装模块在产品开发中的灵活性及通用性；

4.本发明结构紧凑、造价低廉、安全可靠，适合推广使用。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的LED照明模块结构示意图；

图2为本发明的LED模块结构示意图；

图3为本发明的恒流驱动模块电路图；

图4为本发明的冗余驱动模块和LED模块连接电路图；

图5为本发明的LED照明模块光衰对比试验结果图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的直嵌式大功率LED照明封装模块，包括PCB板1，照明模块包括LED模块2和恒流驱动模块3，LED模块2与恒流驱动模块3相连且直嵌设置在PCB板1的表面，本实施例中，LED模块2的数量为6个，每一LED模块2均并联有一冗余驱动模块4，LED模块2依次串联形成LED模块组5，LED模块组5的正、负两端分别与恒流驱动模块3电连接。

如图2所示，LED模块2包括LED芯片21和铜漫反射灯杯，铜漫反射灯杯包括铜质铜质杯身22和设置在铜质杯身22顶部的内凹的反射杯腔23，铜漫反射灯杯的铜质杯身22嵌置于PCB板1内部且反射杯腔23显露于PCB板1外部，LED芯片设置在反射杯腔23内部，LED芯片21的正、负极通过金线与PCB板1上的对应焊盘相连接。

为有效保护LED芯片免受外来因素损坏，LED模块2还包括外罩24，LED芯片21及对应焊盘通过外罩24密封。

通过采用铜漫反射灯杯工艺进行光束整形，实现了非环氧型光束变换，改善了热传导性；采用芯片直嵌式的策略，降低了二次组装成本，同时极大的增强了发白光LED的外量子效率，并避免环氧黄化带来的严重光衰。

如图3所示，恒流驱动模块3包括比较器I1、NMOS管Q1、稳压二极管W1、第电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3和限流电阻R4，比较器I1的同相输入端通过限流电阻R4接电源Vcc，同时通过稳压二极管W1接地，比较器的反相输入端通过电阻器R2和R3接地，比较器的输出端通过电阻器R1与NMOS管的栅极相连，NMOS管的源极经电阻器R3接地，NMOS管的漏极与LED模块组5的负端相连接，所述LED模块组5的正端与电源Vcc相连接。本恒流驱动模块3由PWM信号控制NMOS管Q1的通断来使输出开启或关断，其恒流的工作原理为：电阻R4与稳压二极管W1构成基准电路，提供基准电压为U_W1，比较器I1的同相输入电压等于基准电压即U₊＝U_W1，比较器I1工作在线性区，其反相输入电压与同相输入电压相同，即有U_-＝U₊＝U_W1，则NMOS管Q1的源极电流为

即恒流驱动模块3的驱动电流为

达到了恒流驱动的目的。该恒流驱动电路通过采用电阻采样基准电流的结构，大大减少了模块体积，同时有效地实现各LED模块2的工作电流相等，改善外部输入电压的使用条件，使LED芯片工作更为稳定。

如图4所示，冗余驱动模块4包括NMOS管Q2，所述NMOS管Q2的漏极与对应的LED芯片正极相连，所述NMOS管Q2的源极与对应的LED芯片负极相连，所述NMOS管Q2的栅极通过电阻R5与漏极连接，同时通过具有正温度系数的热敏电阻R6与源极连接。当LED芯片21发生断路时，流过热敏电阻R6的电流增大，热敏电阻R6的阻值增大，NMOS管Q2导通，形成通路，避免了单个LED断路导致整串LED“死灯”的现象，同时也改善了温度不均匀分布导致的局部芯片加速老化，大大延长了本模块的使用寿命。

本实施例中，PCB板1采用MCPCB板，MCPCB是metal core printed board的缩写，其结构为三层，最上面是一层极薄的线路板，中间为一层高导热的绝缘粘合剂，底层为铝，它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能，能对热扩散进行极为有效的处理，降低产品运行温度，提高产品功率密度和可靠性，延长产品使用寿命；同时缩小产品体积，降低硬件及装配成本。

实验效果对比：

一、本发明的LED照明模块和传统LED模块(包括基于指示型和基于表面型)光效对比参数如表1所示。

在晶片、荧光粉、荧光胶和晶片粘合剂均相同，而封装结构不同(光束变换透镜、冗余电路和支架结构)以及前向工作电流IF＝350MA、环境温度TA＝25.8℃、环境湿度PH＝61％的条件下测试。结果如下：

表1

由表中可以看出，本发明的LED照明模块光效明显优于传统的LED模块光效，说明本发明的结构更有利于白光LED光能的激发，更符合节能提效的目的。

二、本新型白光LED模块和传统模块(包括基于指示型和基于表面型)光衰对比如图5所示，在前向工作电流IF＝350MA、环境温度TA＝25.8℃、环境湿度PH＝60％的条件下测试连续工作820小时的光衰情况，由图可以看出，本发明的LED照明模块的光衰远远低于采用传统结构的LED模块(包括基于指示型和基于表面型)。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.直嵌式大功率LED照明封装模块，包括PCB板，其特征在于：所述照明封装模块包括LED模块和恒流驱动模块，所述LED模块与恒流驱动模块相连且直嵌设置在PCB板的表面，所述LED模块包括LED芯片和铜漫反射灯杯，所述铜漫反射灯杯包括铜质杯身和设置在铜质杯身顶部的内凹的反射杯腔，所述铜漫反射灯杯的铜质杯身嵌置于PCB板内部且反射杯腔显露于PCB板(1)外部，所述LED芯片设置在反射杯腔内部。

2.根据权利要求1所述的直嵌式大功率LED照明封装模块，其特征在于：所述LED模块的数量至少为两个，所述每一LED模块均集成有一冗余驱动模块，所述LED模块依次串联形成LED模块组，所述LED模块组的正、负两端分别与恒流驱动模块电连接。

3.根据权利要求2所述的直嵌式大功率LED照明封装模块，其特征在于：所述恒流驱动模块包括比较器I1、NMOS管Q1、稳压二极管W1、电阻器R1、电阻器R2、电阻器R3和限流电阻R4，所述比较器I1的同相输入端通过限流电阻R4接电源Vcc，同时通过稳压二极管W1接地，所述比较器的反相输入端通过电阻器R2和R3接地，所述比较器的输出端通过电阻器R1与NMOS管的栅极相连，所述NMOS管的源极经电阻器R3接地，NMOS管的漏极与LED模块组的负端相连接，所述LED模块组的正端与电源Vcc相连接。

4.根据权利要求3所述的直嵌式大功率LED照明封装模块，其特征在于：所述冗余驱动模块包括NMOS管Q2，所述NMOS管Q2的漏极与对应的LED芯片正极相连，所述NMOS管Q2的源极与对应的LED芯片负极相连，所述NMOS管Q2的栅极通过电阻R5与NMOS管Q2的漏极连接，同时通过具有正温度系数的热敏电阻R6与NMOS管Q2的源极连接。

5.根据权利要求1所述的直嵌式大功率LED照明封装模块，其特征在于：所述LED芯片(21)的正、负极通过金线与PCB板(1)上的对应焊盘相连接。

6.根据权利要求5所述的直嵌式大功率LED照明封装模块，其特征在于：所述LED模块(2)还包括外罩(24)，所述LED芯片(21)及对应焊盘通过外罩(24)密封。

7.根据权利要求6所述的直嵌式大功率LED照明封装模块，其特征在于：所述PCB板(1)为MCPCB板。

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