CN104033749A - 散热能力强的发光二极管球泡灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及采用发光二极管作为光源的球泡灯。按照本发明一个实施例的LED球泡灯包括：灯罩；灯头，其与所述灯头结合在一起以形成空腔；设置在所述空腔内的散热器；设置在所述散热器上的LED发光模块；以及驱动电源模块，其位于所述灯头内部并且与所述LED发光模块电气连接。

Description

散热能力强的发光二极管球泡灯

技术领域

本发明涉及半导体照明技术，特别涉及采用发光二极管作为光源的球泡灯。

背景技术

在照明领域，发光二极管（LED）光源产品的应用正吸引着世人的目光。LED作为一种新型的绿色光源产品，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

LED是一种固态半导体器件，其基本结构一般包括带引线的支架、设置在支架上的半导体晶片以及将该晶片四周密封起来的封装材料（例如荧光硅胶或环氧树脂）。上述半导体晶片包含有P-N结构，当电流通过时，电子被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后以光子的形式发出能量，而光的波长则是由形成P-N结构的材料决定的。

LED在工作过程中，只有一部分电能被转换为热能，其余部分都转换成为热能，从而导致LED的温度升高，这是其性能劣化和失效的主要原因。在大功率LED照明装置中，如何高效率地和及时地将LED产生的热量散发到照明装置外部的问题显得尤为突出。

对于大功率LED照明装置，目前业界已经从芯片、电路板和系统等诸多层面提出了各种散热解决方案。

就芯片层面而言，一般可以通过增大芯片尺寸、改变封装结构和材料等来提高散热能力。

对于系统层面，例如比较常见的是将铝等金属制成的散热鳍片用作灯具外壳的一部分，从而通过增大暴露在外部环境中的面积来提高散热能力。另外一种降低LED温度的途径基于主动散热方式，例如可在灯壳内部安装风扇，通过加快散热器表面的空气的流动来改善散热效果。

美国德克萨斯州的Nuventix公司最近研发了一种称为的射流器，该装置内部包括一个隔膜，当该隔膜振动时，气流产生于装置内部并且通过喷嘴向散热器快速喷射。喷射的气流带动周围的空气一起到达散热器附近，从而以很高的热交换效率将散热器的热量带走。有关射流器的进一步描述例如可参见John Stanley Booth等人于2008年10月16日提交的题为“带多个LED和合成喷射热管理系统的灯具”的美国专利申请No.12/288144，该专利申请作为参考文献，以全文引用的方式包含在本申请中。

但是需要指出的是，上述各种散热解决方案的缺点是制造成本较高和灯具结构复杂，这制约着LED光源在大功率照明装置中的普及应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种LED球泡灯，其具有较佳的散热能力。

本发明的上述目的可通过下列技术方案实现：

一种LED球泡灯，包括：

灯罩；

灯头，其与所述灯头结合在一起以形成空腔；

设置在所述空腔内的散热器；

设置在所述散热器上的LED发光模块；以及

驱动电源模块，其位于所述散热器内部并且与所述LED发光模块电气连接，

其中，所述散热器容纳所述驱动电源模块的部分位于所述灯头内部。

在上述技术方案中，驱动电源模块被内藏于灯头内的设计使得前者产生的热量能够更好地通过后者传递到球泡灯外部，提高了散热能力。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述驱动电源模块包含印刷电路板和一个或多个布置在印刷电路板上并通过布线电气连接在一起的元器件。更好地，所述印刷电路板为铝基板或由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述散热器包括：

第一散热器，其下端具有容纳所述驱动电源模块的内腔并且位于所述灯头内部；

第二散热器，其一端固定于所述第一散热器的内部而另一端位于所述第一散热器的外部，

所述LED发光模块包括：

设置在所述第二散热器的所述另一端外部的多个基板；

设置在所述基板上的LED单元。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述第一散热器由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成，所述第二散热器由金属材料构成。更好地，所述第二散热器为实心体，其内部开设有贯通孔以供所述驱动电源模块的输出引线穿过。

金属实心体具有很好的导热性和较大的热容量，因此可以有效防止LED发光模块内热量的积聚，从而提高LED单元的性能和延长其工作寿命。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述第一散热器的至少一部分表面以红外辐射材料覆盖。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述散热器呈壳体形状，并且所述LED发光模块包括：

设置在所述散热器顶部的基板，其上形成有与所述电源驱动模块连接的布线层；

设置在所述基板上的金属载板，其包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区与所述基板上的布线层电气连接；

至少一个设置在所述第二图案区的、管芯形式的LED单元，其与所述第一图案区电气连接；以及

由绝缘材料制成的框架，其与所述第一和第二图案区固定在一起并且包围所述LED单元。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述LED单元的数量为至少两个，它们借助引线实现与所述第一图案区的连接和相互之间的连接。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述基板为铝基板或由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成。

优选地，在上述LED球泡灯中，所述框架内包含将所述LED单元包裹住的透明硅胶，所述透明硅胶内混合有荧光粉。

附图说明

本发明的上述和/或其它方面和优点将通过以下结合附图的各个方面的描述变得更加清晰和更容易理解，附图中相同或相似的单元采用相同的标号表示，附图包括：

图1为按照本发明一个实施例的LED球泡灯的分解示意图。

图2为图1所示LED球泡灯的剖面示意图。

图3为可用于图1所示LED球泡灯的驱动电源模块的电路原理图。

图4为可用于图1所示LED球泡灯的另一种驱动电源模块的电路原理图。

图5为可用于图1所示LED球泡灯的另一种驱动电源模块的电路原理图。

图6为可用于图1所示LED球泡灯的另一种驱动电源模块的电路原理图。

图7为按照本发明另一个实施例的发光二极管球泡灯的分解示意图。

图8为图7所示的发光二极管球泡灯所包含的LED发光模块的局部示意图。

附图标号列表：

1LED球泡灯灯

10灯罩

20灯头

210端部

220侧壁

230绝缘部分

30散热器

310第一散热器

311隔板

320第二散热器

321贯通孔

40LED发光模块

410基板

411布线层

420LED单元

430框架

440金属载板

441第一图案区域

442第二图案区域

450引线

50驱动电源模块

510印刷电路板

521A、521B输入引线

522A、522B输出引线

531桥式整流滤波单元

532ADC-DC升压变换单元

532BDC-DC降压变换单元

533反馈单元

BR1全桥整流器

C1、C2、C3、C4、C5、C6电容器

D1开关二极管

L1、L2电感器

LED1-LEDnLED负载

Q1晶体三极管

R1、R2、R3、R4、R5、R6电阻器

T1、T2MOS管

U1、U4开关调整器

U2、U3PWM控制器

具体实施方式

下面参照其中图示了本发明示意性实施例的附图更为全面地说明本发明。但本发明可以按不同形式来实现，而不应解读为仅限于本文给出的各实施例。给出的上述各实施例旨在使本文的披露全面完整，更为全面地传达给本领域技术人员本发明的保护范围。

在本说明书中，除非特别说明，术语“半导体晶圆”指的是在半导体材料（例如硅、砷化镓等）上形成的多个独立的单个电路，“半导体晶片”或“晶片（die）”指的是这种单个电路，而“封装芯片”指的是半导体晶片经过封装后的物理结构，在典型的这种物理结构中，半导体晶片例如被安装在支架上并且用密封材料封装。

术语“发光二极管单元”指的是包含电致发光材料的单元，这种单元的例子包括但不限于P-N结无机半导体发光二极管和有机发光二极管（OLED和聚合物发光二极管（PLED））。

P-N结无机半导体发光二极管可以具有不同的结构形式，例如包括但不限于发光二极管管芯和发光二极管单体。其中，“发光二极管管芯”指的是包含有P-N结构的、具有电致发光能力的半导体晶片，而“发光二极管单体”指的是将管芯封装后形成的物理结构，在典型的这种物理结构中，管芯例如被安装在支架上并且用密封材料封装。

术语“布线”、“布线图案”和“布线层”指的是在绝缘表面上布置的用于元器件间电气连接的导电图案，包括但不限于走线（trace）和孔（如焊盘、元件孔、紧固孔和金属化孔等）。

术语“热辐射”指的是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

术语“热传导”指的是热量在固体中从温度较高的部分传送到温度较低的部分的传递方式。

术语“陶瓷材料”泛指需高温处理或致密化的非金属无机材料，包括但不限于硅酸盐、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等。

术语“导热绝缘高分子复合材料”指的是这样的高分子材料，通过填充高导热性的金属或无机填料在其内部形成导热网链，从而具备高的导热系数。导热绝缘高分子复合材料例如包括但不限于添加氧化铝的聚丙烯材料、添加氧化铝、碳化硅和氧化铋的聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物等。有关导热绝缘高分子复合材料的具体描述可参见李丽等人的论文“聚碳酸酯及聚碳酸酯合金导热绝缘高分子材料的研究”（《材料热处理学报》2007年8月，Vol.28,No.4,pp51-54）和李冰等人的论文“氧化铝在导热绝缘高分子复合材料中的应用”（《塑料助剂》2008年第3期,pp14-16），这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。

术语“红外辐射材料”指的是在工程上能够吸收热量而发射大量红外线的材料，其具有较高的发射率。红外辐射材料的例子例如包括但不限于石墨和常温红外陶瓷辐射材料。进一步地，常温红外陶瓷辐射材料例如包括但不限于下列材料中的至少一种：氧化镁、氧化铝、氧化钙、氧化钛、氧化硅、氧化铬、氧化铁、氧化锰、氧化锆、氧化钡、堇青石、莫来石、碳化硼、碳化硅、碳化钛、碳化钼、碳化钨、碳化锆、碳化钽、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氮化锆、氮化钛、硅化钛、硅化钼、硅化钨、硼化钛、硼化锆和硼化铬。有关红外陶瓷辐射材料的详细描述可参见李红涛和刘建学等人的论文“高效红外辐射陶瓷的研究现状及应用”（《现代技术陶瓷》2005年第2期（总第104期）,pp24-26）和王黔平等人的论文“高辐射红外陶瓷材料的研究进展及应用”（《陶瓷学报》2011年第3期），这些文献以全文引用的方式包含在本说明书中。

在本发明中，比较好的是将下列准则作为选用红外辐射材料的其中一个考虑因素：在设定的发光二极管单元的P-N结温度（例如50-80摄氏度范围内的一个温度值）以下，红外辐射材料仍然具有较高的发射率（例如大于或等于70%）。

“电气连接”和“耦合”应当理解为包括在两个单元之间直接传送电能量或电信号的情形，或者经过一个或多个第三单元间接传送电能量或电信号的情形。

“驱动电源”或“LED驱动电源”指的是连接在照明装置外部的交流（AC）或直流（DC）电源与作为光源的发光二极管之间的“电子控制装置”，用于为发光二极管提供所需的电流或电压（例如恒定电流、恒定电压或恒定功率等）。驱动电源中的一个或多个部件以晶片或封装芯片的形式实现，以下将驱动电源中以晶片或封装芯片的形式实现的部件称为“驱动控制器”。在具体的实施方案中，驱动电源可以模块化的结构实现，例如其包含印刷电路板和一个或多个布置在印刷电路板上并通过布线电气连接在一起的元器件，这些元器件的例子包括但不限于LED驱动控制器芯片、整流芯片、电阻器、电容器、二极管、三极管和线圈等。可选地，在驱动电源中还可以集成实现其它功能的电路，例如调光控制电路、传感电路、功率因数校正电路、智能照明控制电路、通信电路和保护电路等。这些电路可以与驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内，或者这些电路可以单独地以半导体晶片或封装芯片的形式提供，或者这些电路中的一些或全部可以组合在一起并以半导体晶片或封装芯片的形式提供。

诸如“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。

诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示单元在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元之用。

诸如“物体A设置在物体B上”之类的用语应该广义地理解为将物体A直接放置在物体B的表面，或者将物体A放置在与物体B有接触的其它物体的表面。

以下借助附图描述本发明的实施例。

图1为按照本发明一个实施例的发光二极管球泡灯的分解示意图。图2为图1所示发光二极管球泡灯的剖面示意图。

按照本实施例的LED球泡灯1主要包括灯罩10、灯头20、散热器30、LED发光模块40和驱动电源模块50。参见图1和2，灯罩10可以与灯头20固定在一起，从而形成可容纳散热器30、LED发光模块40和驱动电源模块50的空腔。

灯罩10可采用透明或半透明材料（例如玻璃或塑料）制成，为了使光线更柔和、更均匀地向空间发散，其内表面或外表面可进行磨砂处理。可选地，可以例如通过静电喷涂或真空喷镀工艺，在灯罩10的内/外表面形成红外辐射材料层（例如包括但不限于石墨或常温红外陶瓷材料等），这种处理一方面增强了灯罩10的散热能力，另外也抑制或消除了LED的眩光效应。

灯头20为驱动电源模块50提供了与外部电源（例如各种直流电源或交流电源）电气连接的接口，其例如可采用与普通白炽灯和节能灯类似的螺纹状旋接口或旋转卡口等形式。参见图1和2，灯头20的端部210由诸如金属之类的导电材料制成，侧壁220的至少一部分由金属材料制成，因此可以将端部210和侧壁220的金属材料制成的区域作为第一电极连接区和第二电极连接区，并且利用绝缘部分230（例如由塑料之类的绝缘材料制成）将这两个电极连接区隔开。普通的照明线路一般包含火线和零线两根电线，在本实施例中，考虑到使用的安全性，端部210和侧壁220作为第一和第二电极连接区可以经灯座（未画出）的电极被分别连接至火线和零线。

在本实施例中，用于侧壁220的金属材料可以采用包含下列至少一种元素的铜基合金：锌、铝、铅、锡、锰、镍、铁和硅。采用上述铜基合金可以提高耐腐蚀能力，从而使得灯头的使用寿命与发光二极管光源的工作寿命匹配，此外上述铜基合金也可改善加工性能。为了扩大散热面积，比较好的是使侧壁220全部由金属材料构成。此外，如图1和2所示，侧壁220的外表面开设有螺纹。

按照本实施例的散热器30包含第一散热器310和第二散热器320。参见图1和2，第一散热器310呈筒状，其内部空间由隔板311一分为二，其中上半部分适于容纳第二散热器320，而下半部分适于容纳驱动电源模块50。第一散热器310的下端可借助粘合剂（例如胶泥或环氧树脂）固定于灯头20内，从而使驱动电源模块50也基本上位于灯头20的内部。参见图2，第一散热器310的下端在靠近灯头20的开口位置处略微收窄，从而在灯头20的开口处形成可容纳灯罩10开口端的空隙，可以通过将灯罩10、灯头20和第一散热器310装配成如图2所示的状态并借助胶泥之类的粘合剂将三者固定在一起。

第一散热器310可全部由绝缘导热材料（例如陶瓷或导热绝缘高分子复合材料）构成，但是仅仅一部分由绝缘导热材料构成也是可行的和有益的（例如当采用少量绝缘导热材料就能够满足将热量传导给红外辐射材料的需求并且需要降低材料成本时）。另外，第一散热器310的整个外表面可以覆盖红外辐射材料（例如诸如碳化硅之类的常温红外陶瓷辐射材料）。可选地，也可以仅在第一散热器310的一部分表面覆盖红外辐射材料。如果红外辐射材料同时具有较好的绝缘导热性能（例如碳化硅材料），则第一散热器310可以全部由红外辐射材料构成。或者可选地，散热器310可以仅仅一部分由红外辐射材料构成。此外，如图1和2所示，第一散热器310的外表面包含多条凸条以增加散热面积。

如图1和2所示，第二散热器320的一端插入第一散热器310内并与隔板311相抵，该端部可借助粘合剂固定于第一散热器310的内部。第二散热器320的另一端伸出第二散热器320，其表面上设置有下面将要作进一步描述的LED发光模块40。第二散热器320优选地为一个由金属材料（例如铝或铜）构成的实心体。为了在驱动电源模块50与LED发光模块40之间建立电气连接，如图2所示，在第二散热器320的内部开设供驱动电源模块50的输出引线通过的贯通孔321，由此输出引线可到达第二散热器320的上部以与LED发光模块40电气连接。金属实心体具有良好的导热性和很大的热容量，因此LED发光模块40产生的热量不会聚积在模块内部从而影响LED单元的发光性能和工作寿命。

LED发光模块40包括基板410和LED单元420。在本实施例中，为了实现大角度发光，如图1和2所示，将多块基板410设置在第二散热器320露出第一散热器310的部分的外表面，例如顶部表面和侧部表面。LED单元420产生的热量可以经基板410传递至第二散热器320。基板410可以采用绝缘导热材料（例如陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料等）或兼具绝缘导热能力的红外辐射材料（例如碳化硅）制成，也可以采用铝基板之类的印刷电路板材料制成。优选地，可以采用模具压制法来制作陶瓷材料构成的基板，这种方法制造的基板较厚（例如1.5-3mm）并且硬度高。在本实施例中，基板410可以借助导热胶粘合到第二散热器320上。

在本实施例中，LED单元420采用管芯形式，它们通过粘附方式设置在基板410的表面上以在LED单元420与基板410之间形成较好的热传导。另一方面，位于基板表面上的布线层包含多个焊盘和走线，LED单元420通过引线（例如金丝、银丝或合金丝）直接连接至焊盘以形成串联的发光二极管组。在本实施例中，可以利用绑定工艺实现发光二极管管芯经引线到布线的连接。此外，不同基板之间的发光二极管组可以串联或并联的形式连接在一起。

如果需要调整LED单元420的发光波长，可以用混合荧光粉的环氧树脂或硅胶将发光二极管单元420粘附在基板410的表面上，或者在发光二极管单元420的表面涂覆荧光层，再将其借助环氧树脂或硅胶粘合到基板410的表面上。

值得指出的是，虽然在图1和2所示的实施例中，利用绑定工艺将管芯形式的发光二极管单元420直接连接到布线层上，但是也可以利用在板上倒装芯片（FCOB）工艺将发光二极管管芯与布线层电气连接。此外，LED单元420也可以采用发光二极管单体的形式，此时可以通过焊接方式将LED单元电气连接到基板表面的布线层。

驱动电源模块50被设置在第一散热器310内腔的下半部分，其可以由一个或多个独立的部件组成。在本实施例中，驱动电源模块50包含印刷电路板510、一个或多个布置在印刷电路板上并通过其上的布线电气连接在一起的元器件、一对设置在印刷电路板510下表面的输入引线521A和521B以及一对设置在印刷电路板510上表面的输出引线522A和522B。可以借助灯泥、硅胶或环氧树脂之类的粘合剂将驱动电源模块50的印刷电路板510固定于第一散热器310内腔的下半部分。输入引线521A和521B分别与灯头的第一电极区（例如灯头的由导电材料构成的端部）和第二电极区（例如灯头侧面由导电材料构成的部分）电气连接。如图1和2所示，输入引线521B在向下延伸一段后向上折返，从而在将灯罩10、灯头20和第一散热器310装配在一起时，其可抵靠住灯头的内侧表面以实现与第二电极区的电气连接。如图2所示，输出引线522A和522B穿过第二散热器320的贯通孔321与基板410上的布线层电气连接。

驱动电源模块50可以多种驱动方式（例如恒压供电、恒流供电和恒压恒流供电等方式）向LED发光模块40提供合适的电流或电压。根据外部供电的方式，驱动电源模块50可采用各种拓扑架构的电路，例如包括但不限于非隔离降压型拓扑电路结构、反激式拓扑电路结构和半桥LLC拓扑电路结构等。有关驱动电源电路的详细描述可参见人民邮电出版社2011年5月第1版的《LED照明驱动电源与灯具设计》一书，该出版物以全文引用方式包含在本说明书中。

图3为可用于图1所示LED球泡灯的驱动电源模块的电路原理图。

图3所示的驱动电源模块50包括桥式整流滤波单元531、DC-DC升压变换单元532A和反馈单元533，以下对各个单元作进一步的描述。

如图3所示，桥式整流滤波单元531包括全桥整流器BR1、电容器C1、C2、C3、压敏电阻器R1和电感器L1。交流电（例如市电）经全桥整流器BR1整流后在正极端1上输出全波脉动电压。滤波电容器C1、C2、C3、压敏电阻器R1和电感器L1构成EMI滤波电路，其一方面抑制交流电网中的高频干扰对驱动电路的影响，另一方面抑制驱动电路对交流电网的电磁干扰。

值得指出的是，虽然这里示出的是全波整流方式，但是半波整流也是可用的。

参见图3，滤波电容器C1和压敏电阻器R1并联在全桥整流器BR1的交流输入端B3和B4之间，其中压敏电阻器R1通过抑制电路中出现的异常过电压而将全桥整流器BR1的输入电压钳制在预定的水平。滤波电容器C2、C3和电感器L1组成π型滤波回路并且电气连接在全桥整流器BR1的正极端B1与负极端B2之间，以对全桥整流器BR1输出的脉动电压进行低通滤波，这里的负极端B2被接地。

DC-DC升压变换单元532A与桥式整流滤波单元531、反馈单元533和LED负载LED1-LEDn（也即图1和2中所示的多个LED单元420，这里假设它们串联连接在一起）电气连接，其将桥式整流滤波单元531输出的脉动电压提升至所需的电压和电流水平并提供给LED负载。此外，DC-DC升压变换单元532A还与反馈单元533协同工作，以使提供给LED负载的电流和电压保持恒定并实现功率因子校正功能。

在图3所示的驱动电源模块中，DC-DC升压变换单元532A包括电感器L2、开关二极管D1、电容器C6和开关调整器U1。

优选地，可以采用集成有脉宽调制（PWM）控制器和金属氧化物半导体场效应管（以下又简称为MOS管）的集成电路芯片作为开关调整器U1，其中PWM控制器的输出端与MOS管的栅极电气连接以实现对MOS管导通和关断的控制。在具体的开关调整器芯片中，为了简化占空比的调节，可保持MOS管的开关频率为定值（例如大约1MHz），而MOS管的关断时间是可调节的；或者可保持MOS管的关断时间为定值（例如大约320ns），而MOS管的开关频率是可调节的。典型地，这类开关调整器芯片一般都配置与MOS管的漏极电气连接的漏极引脚、与PWM控制器的控制端电气连接的反馈引脚。上述开关调整器的例子包括但不局限于中国普芯达电子有限公司生产的CW12L31芯片等。

如图3所示，电感器L2和开关二极管D1被串联在桥式整流滤波单元531与LED负载之间，其中开关二极管D1的正极与电感器L2电气连接，负极与LED负载的正极电气连接。优选地，可采用速度快、压降小的肖特基二极管作为开关二极管D1。继续参见图3，开关调整器U1的漏极引脚D电气连接在电感器L2与开关二极管D1的正极之间，并且反馈引脚FB（在开关调整器内部其与PWM控制器的控制端电气连接，因此也称为控制端）与反馈单元533电气连接。此外，在图3所示的电路中，电容器C6与LED负载的正极共接于开关二极管D1的负极以在开关二极管D1截止时向LED负载放电。

参见图3，开关调整器U1包括电源引脚VCC和接地引脚GND，其中电源引脚VCC经电容器C4接地。

反馈单元533包括晶体三极管Q1、电阻器R2、R3和电容器C5。如图3所示，晶体三极管Q1采用共射极放大电路的连接形式，其中，集电极经电阻器R3电气连接至开关调整器U1的反馈引脚FB以将反馈信号提供至开关调整器U1，其射极与接地电气连接以作为输入回路和输出回路的共同接地端，并且基极接入LED负载的回路以提取检测信号。电阻器R2电气连接在基极与接地之间以构成输入回路。另外，开关调整器U1的反馈引脚FB还经电容器C5接地。

以下描述图3所示驱动电源模块50的工作原理。

当接通交流电源时，桥式整流滤波单元531将输入的交流电变换为脉动电压并输出至DC-DC升压变换单元532A的电感器L2。开关调整器U1内部的MOS管在PWM控制器信号的控制下以很高的频率导通和关断。

当MOS管导通时，在桥式整流滤波单元531的输出电压的作用下，电流流经电感器L2和MOS管，开关二极管D1因为电容器C6上的电压而截止。随着流经电感器L2的电流不断增大，电感器内存储的能量也不断增多。此时，LED负载由电容器C6供电，其依靠电容器C6的放电电流工作。

当MOS管切换至关断状态时，流经电感器L2的电流开始减小，从而在电感器L2的两端诱发感应电动势，其极性为下正上负。感应电动势与桥式整流滤波单元531的输出电压相叠加后提升了桥式整流滤波单元531的输出电压。此时，叠加的电压高于电容器C6上的电压，因此开关二极管D1进入导通状态，LED负载改由电感器L2供电，并且电容器C6也由电感器L2充电并且直至MOS管再度切换至导通状态。在图3所示的电路结构中，感应电动势的大小取决于MOS管的占空比，因此可以通过调节PWM控制器输出信号的占空比获得所希望的电压提升幅度。

当MOS管再度被切换回导通状态时，开关二极管D1处的叠加电压开始减小并将再次低于电容器C6上的电压，因此开关二极管D1进入截止状态，LED负载改由电容器C6以提升的电压供电，而电感器L2又开始存储电能。

由上可见，在PWM控制器的控制下，MOS管在上述导通和关断状态之间不断切换，从而使LED负载正极上的电压始终保持在较高的电压水平。

参见图3，LED负载与电阻器R4、R5并联在开关二极管D1的负极与电阻器R2之间，并且LED负载的负极电气连接至晶体三极管Q1的基极。当流经LED负载的电流和/或电压发生波动时，流经晶体三极管Q1的基极的电流也会改变，经过晶体三极管Q1放大后的反馈信号从集电极经电阻器R3输出至开关调整器U1的反馈引脚，PWM控制器由此可以根据反馈信号对输出信号的占空比进行调整，由此使提供给LED负载的电流和电压保持恒定。

在图3所示的电路结构中，开关调整器U1的反馈引脚FB还经大容量的电容器C5接地，这可以使反馈环路的响应变缓，反馈电平在交流电线路半周期中接近于恒定。基本恒定的反馈电平表示在MOS管中的电流对应于在交流线路半周期内传送到LED负载上的平均能量。由于开关调整器U1在固定频率上工作，在MOS管导通时间结束之前，电流的增加不会超出一定的范围。通过在输入的交流电压增加时减少流经MOS管的开关电流，并且在输入的交流电压减少时增加流经MOS管的开关电流，使LED负载输入端的纹波最小化，并且交流输入电流能时刻跟踪交流输入电压的变化，从而实现功率因子校正的功能。

需要指出的是，在图3所示的实施例中，PWM控制器与MOS管被集成在同一集成电路芯片中，为了进一步提高集成度，还可以考虑将晶体三极管Q1、PWM控制器和MOS管三者集成在同一集成电路芯片中。

可选地，PWM控制器和MOS管也可以以分立的电路元件的形式被提供于按照图1所示实施例的LED球泡灯中。图4所示的驱动电源模块示出了这种形式的一个例子，其中与图3中相同或相似的单元采用相同的标号表示。

图4所示的驱动电源模块50同样包括桥式整流滤波单元531、DC-DC升压变换单元532A和反馈单元533。桥式整流滤波单元531和反馈单元533采用与图3所示相同的形式和结构，此处不再赘述。

参见图4，DC-DC升压变换单元532A包括电感器L2、开关二极管D1、电容器C6、PWM控制器U2和MOS管T1，其中，电感器L2和开关二极管D1被串联在桥式整流滤波单元531与LED负载的正极之间，开关二极管D1的正极与电感器L2电气连接，负极与LED负载的正极电气连接。在本实施例中，MOS管T1的漏极D电气连接在电感器L2与开关二极管D1的正极之间，源极S电气连接至控制端FB，栅极G与PWM控制器U2的输出端P相连。PWM控制器U2一般以集成电路芯片的形式提供，其控制端FB与反馈单元533电气连接。如图4所示，电容器C6与LED负载的正极共接于开关二极管D1的负极以在开关二极管D1截止时向LED负载放电。

反馈单元533同样包括晶体三极管Q1、电阻器R2、R3和电容器C5。晶体三极管Q1采用共射极放大电路的连接形式，其中，集电极经电阻器R3电气连接至PWM控制器U2的控制端FB以将反馈信号提供给PWM控制器U2，其射极与接地电气连接以作为输入回路和输出回路的共同接地端，并且基极接入LED负载的回路以提取检测信号。PWM控制器的控制端FB还经电容器C5接地。

图4所示驱动电源模块的工作原理与图3所示的相似，因此此处不再赘述。

图5为可用于图1所示LED球泡灯的另一种驱动电源模块的电路原理图。

图5所示的驱动电源模块50包括桥式整流滤波单元531、DC-DC降压变换单元532B和反馈单元533，以下对各个单元作进一步的描述。

如图5所示，桥式整流滤波单元531包括全桥整流器BR1、电容器C2、C3、压敏电阻器R1和电感器L1。交流电（例如市电）经全桥整流器BR1整流后在正极端B1上输出全波脉动电压。滤波电容器C2、C3、压敏电阻器R1和电感器L1构成EMI滤波电路，其一方面抑制交流电网中的高频干扰对驱动电路的影响，另一方面抑制驱动电路对交流电网的电磁干扰。

参见图5，压敏电阻器R1并联在全桥整流器BR1的交流输入端B3和B4之间，其中压敏电阻器R1通过抑制电路中出现的异常过电压而将全桥整流器BR1的输入电压钳制在预定的水平。滤波电容器C2、C3和电感器L1组成π型滤波回路并且电气连接在全桥整流器BR1的正极端B1与接地的负极端B2之间，以对全桥整流器BR1输出的脉动电压进行低通滤波。

DC-DC降压变换单元532B与桥式整流滤波单元531、反馈单元533和LED负载LED1-LEDn（也即图1和2所示LED球泡灯中的多个LED单元420）电气连接，其将桥式整流滤波单元531输出的脉动电压降低至所需的电压和电流水平并提供给LED负载。此外，DC-DC降压变换单元532B还与反馈单元533协同工作，以使提供给LED负载的电流和电压保持恒定。

在图5所示的驱动电源模块中，DC-DC降压变换单元532B包括电感器L2、开关二极管D1、电容器C7、MOS管T2和脉宽调制（PWM）控制器U3。

PWM控制器U3的输出端P与MOS管T2的栅极G电气连接以实现对MOS管导通和关断的控制。上述PWM控制器的例子包括但不局限于美国Supertex股份有限公司生产的HV9910型LED驱动器芯片等。

如图5所示，开关二极管D1的负极和LED负载的正极LED+共同连接至桥式整流滤波单元531的输出端，开关二极管D1的正极则与MOS管T2的漏极D电气连接。优选地，可采用速度快、压降小的肖特基二极管作为开关二极管D1。电感器L2电气连接在LED负载的负极LED-与MOS管T2的漏极D之间。继续参见图5，PWM控制器U3还包含反馈引脚FB，其与反馈单元533电气连接。此外，在图5所示的电路中，电容器C7并联在LED负载的正极LED+与负极LED-之间以平滑提供给LED负载的工作电压。可以根据允许的工作电压的纹波值来选择电容器C7的电容值。

参见图5，PWM控制器U3包括电源引脚VCC和接地引脚GND，其中电源引脚VCC经电容器C4接地。

反馈单元533包括电阻器R6。如图5所示，电阻器R6被电气连接在MOS管T2的源极S与接地之间。另一方面，电阻器R6的电气连接至源极S的一端还电气连接至PWM控制器U3的反馈引脚FB以将反馈信号提供给PWM控制器U3。

以下描述图5所示驱动电源模块50的工作原理。

当接通交流电源时，桥式整流滤波单元531将输入的交流电变换为脉动电压并输出至DC-DC降压变换单元532B。此时在PWM控制器U3的控制下，MOS管T2在上述导通和关断状态之间不断切换，从而使LED负载两端上的电压始终保持在一定的电压水平。

具体而言，当MOS管T2导通时，开关二极管D1处于截止状态。桥式整流滤波单元531的输出电流从LED负载的正极LED+流入并从负极LED-流至电感器L2。流经电感器L2的电流将不断增大直到MOS管T2关断。随着流经电感器L2的电流不断增大，电感器内存储的能量也不断增多。

当MOS管T2切换至关断状态时，流经电感器L2的电流开始减小，从而在电感器L2的两端诱发感应电动势，其极性为左正右负。感应电动势与桥式整流滤波单元531的输出电压相叠加后高于电容器C7上的电压，因此开关二极管D1进入导通状态，从而为电感器L2的电流提供续流通路直至MOS管T2再度切换至导通状态。在图5所示的电路结构中，可以通过调节PWM控制器输出信号的占空比获得所希望的电压降低幅度。

参见图5，电阻器R6电气连接在MOS管T2的源极S与接地之间。由于电阻器R6两端的电压对应于流经MOS管T2和电感器L2的电流，因此该电压可被施加于PWM控制器U3的反馈引脚FB作为反馈信号。具体而言，当MOS管T2导通后，电感器L2的电流不断增大，当电阻器R6两端的电压超过预设的峰值电流检测阈值时，将触发PWM控制器U3在引脚P上输出关断MOS管T2的控制信号，由此可以通过控制MOS管T2的峰值电流来实现恒流控制。显然，达到峰值电流所花费的时间与电感器L2的电感值有关，电感值越大则电流上升速度越慢，到达峰值电流所用的时间越长，反之亦然。

需要指出的是，由于电容器C7如图5所示并联在LED负载之间，所以可以平滑电流的脉动起伏，使得流经LED负载的电流更为恒定。

可选地，PWM控制器U3和MOS管T2可以以集成在同一集成电路芯片的形式提供于按照图1所示实施例的LED球泡灯中。图6所示的驱动电源模块示出了这种形式的一个例子，其中与图5中相同或相似的单元采用相同的标号表示。

图6所示的驱动电源模块50同样包括桥式整流滤波单元531、DC-DC降压变换单元532B和反馈单元533。桥式整流滤波单元531和反馈单元533采用与图5所示相同的形式和结构，此处不再赘述。

DC-DC降压变换单元532B与桥式整流滤波单元531、反馈单元533和LED负载LED1-LEDn电气连接，其将桥式整流滤波单元531输出的脉动电压降低至所需的电压和电流水平并提供给LED负载。此外，DC-DC降压变换单元532B还与反馈单元533协同工作，以使提供给LED负载的电流和电压保持恒定。

在图6所示的驱动电源模块中，DC-DC降压变换单元532B包括电感器L2、开关二极管D1、电容器C7和开关调整器U4。

优选地，可以采用集成有脉宽调制（PWM）控制器和MOS管的集成电路芯片作为开关调整器U1，其中PWM控制器的输出端与MOS管的栅极电气连接以实现对MOS管导通和关断的控制。典型地，这类开关调整器芯片一般都配置与MOS管的漏极电气连接的漏极引脚和与MOS管的源极电气连接的源极引脚，并且优选地，源极引脚与PWM控制器的控制端电气连接以将与流经MOS管的电流对应的检测信号反馈至PWM控制器。上述开关调整器的例子包括但不局限于荷兰恩智浦半导体公司生产的SSL2108x型LED照明驱动器芯片等。

如图6所示，开关二极管D1的负极和LED负载的正极LED+共同连接至桥式整流滤波单元531的输出端，开关二极管D1的正极则与开关调整器U4的漏极引脚D电气连接。电感器L2电气连接在LED负载的负极LED-与开关调整器U4的漏极引脚D之间。继续参见图6，开关调整器U4还包含源极引脚S，其在芯片内部与PWM控制器的控制端电气连接而在芯片外部与反馈单元533电气连接。此外，在图6所示的电路中，电容器C7并联在LED负载的正极LED+与负极LED-之间以平滑提供给LED负载的工作电压。

参见图6，开关调整器U4包括电源引脚VCC和接地引脚GND，其中电源引脚VCC经电容器C4接地。

反馈单元533包括被电气连接在开关调整器U4的源极S与接地之间的电阻器R6。如在描述图5所示的驱动电源模块时所指出的，电阻器R6两端的电压对应于流经MOS管和电感器L2的电流，其被作为反馈信号施加于开关调整器U4的源极S以使开关调整器U4内部的PWM控制器通过控制MOS管的峰值电流来实现恒流控制。图6所示驱动电源模块的工作原理与图5所示的相似，因此此处不再赘述。

可选地，在上述图3-6所示的驱动电源模块中还可以集成实现其它功能的电路，例如调光控制电路、传感电路、智能照明控制电路、通信电路和保护电路等。这些电路可以与驱动控制器集成在同一半导体晶片或封装芯片内，或者这些电路可以单独地以半导体晶片或封装芯片的形式提供，或者这些电路中的一些或全部可以组合在一起并以半导体晶片或封装芯片的形式提供。

图7为按照本发明另一个实施例的发光二极管球泡灯的分解示意图。图8为图7所示的LED球泡灯所包含的LED发光模块的局部示意图，其示出了LED单元、框架和金属载板组装在一起时的示意图。

与上述借助图1-6所示的实施例相比，本实施例的主要不同之处在于散热器30和LED发光模块40的结构。为避免赘述，以下重点描述与图1-6所示实施例不同的方面。

按照本实施例的LED球泡灯1同样包括灯罩10、灯头20、散热器30、LED发光模块40和驱动电源模块50。灯罩10和灯头20可采用上面描述的各种特征，它们固定在一起从而形成可容纳散热器30、LED发光模块40和驱动电源模块50的空腔。

参见图7，与前一实施例不同，按照本实施例的散热器30为单个壳体结构，其侧面包含多条凸条以增加散热面积。散热器30的下端可借助粘合剂（例如胶泥或环氧树脂）固定于灯头20内，其在靠近灯头20的开口位置处略微收窄，从而在灯头20的开口处形成可容纳灯罩10开口端的空隙，因此如上述实施例那样，可借助胶泥之类的粘合剂将灯罩10、灯头20和散热器30固定在一起。在本实施例中，可选地，散热器30可以是一个一体成型的部件，并且也不局限于图7所示的形状，其例如也可以是棱柱体或截去顶部的锥体等。

在本实施例中，LED发光模块40被设置在散热器30的顶部，驱动电源模块50则设置在散热器30内腔靠近下部端口处，从而使驱动电源模块50也基本上位于灯头20的内部。

参见图7和8，LED发光模块40包括基板410、LED单元420、框架430和金属载板440。基板410例如借助导热胶粘合在散热器30的顶部。为了增强基板410与散热器30之间的热传导，散热器壳体的顶部是封闭的以增加二者的接触面积。但是例如为了减轻散热器的重量和降低材料成本，壳体顶部也可以是敞开的，此时基板410可被粘合在壳体顶部的外沿。基板410可以采用绝缘导热材料（例如陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料等）或兼具绝缘导热能力的红外辐射材料（例如碳化硅）制成，也可以采用铝基板之类的印刷电路板材料制成。如图7所示，在基板410上形成有布线层411，驱动电源模块50与LED单元420借助该布线层实现电气连接。

参见图8，金属载板440包括第一图案区域441和第二图案区域442。第一图案区域441用作电极区域，其包含多个相互之间以及与第二图案区域442均不连通的分立小区以作为LED单元420与基板410上的布线层411的电气连接区。结合图7和8可见，第一图案区域441从框架430延伸出来的区域与基板410表面上的布线层411电气连接，从而经布线411层连接至位于散热器30内部的驱动电源模块50。如图8所示，LED单元420采用管芯形式，它们例如通过固晶工艺被固定在第二图案区域442上，由于金属良好的导热性能，LED单元420与第二图案区域442之间的热阻接近于零，因此前者产生的热量可以高效率地传递给基板410。框架430由绝缘材料制成，其例如通过注压工艺与金属载板440固定在一起，并且将LED单元420包围其中。由于第一和第二图案区域441和442都被固定在框架430上，因此它们的相对位置关系得以固定。如图8所示，LED单元420通过引线450实现它们相互间的互连以及与第一图案区域441的连接。

在本实施例中，可以先在基板410的表面印刷电子浆料图案（例如银浆），该图案对应于布线层411以及与第一和第二图案区域441、442接触的区域（以下又称为接触区）。然后通过高温烧结，在基板表面形成布线层411以及接触区。最后将金属载板440的第一和第二图案区域通过热熔合的方式固定到基板410表面的接触区。在本实施例中，金属载板440采用铜、铝等材料制成，优选地，可以在第一和第二图案区域与基板410接触的表面上形成一层熔点较低的金属层（例如锡）以有利于热熔合。

值得指出的是，虽然本实施例的LED单元420借助于金属载板440实现了在基板表面的设置，但是也可以采用其它的设置方式。例如可以利用固晶工艺将LED单元420直接设置在基板表面，或者将LED单元420焊接到基板的布线层。此外，LED单元420这里虽然以混联方式连接在一起，但是也可以采用诸如串联、并联或交叉阵列之类的其它连接形式。再者，本实施例以采用多个LED单元的情形为例，然而采用单个LED单元作为发光元件也是可行的。

还需要指出的是，在本实施例中，LED发光模块40中的基板可以省略。此时，可以考虑在散热器30的顶部形成与驱动电源模块50电气连接的布线层，并且例如利用上述热熔合工艺将金属载板440直接固定于散热器30的顶部。

当LED单元的发光波长与实际需要的照明光线颜色有偏差时，可以利用荧光材料的光致发光效应实现波长的改变。具体而言，可以用混合荧光粉（例如钇铝石榴石（YAG）荧光粉）的硅胶覆盖或包围住LED单元420，或者在LED单元420的表面涂覆荧光粉，然后再用硅胶覆盖或包围住LED单元420。由于框架430的设置，硅胶的流动受到限制而仅分布在LED单元420的周围。

参见图7，驱动电源模块50的输出引线522A和522B在散热器30内向上延伸以与位于散热器30顶部的基板410上的布线层411电气连接。本实施例的驱动电源模块50可以具有上面借助图1-6所述的各种特征，因此这里不再赘述。

虽然已经展现和讨论了本发明的一些方面，但是本领域内的技术人员应该意识到：可以在不背离本发明原理和精神的条件下对上述方面进行改变，因此本发明的范围将由权利要求以及等同的内容所限定。

Claims (10)

1.一种LED球泡灯，其特征在于，包括：

灯罩；

灯头，其与所述灯头结合在一起以形成空腔；

设置在所述空腔内的散热器；

设置在所述散热器上的LED发光模块；以及

驱动电源模块，其位于所述散热器内部并且与所述LED发光模块电气连接，

其中，所述散热器容纳所述驱动电源模块的部分位于所述灯头内部。

2.如权利要求1所述的LED球泡灯，其中，所述驱动电源模块包含印刷电路板和一个或多个布置在印刷电路板上并通过布线电气连接在一起的元器件。

3.如权利要求2所述的LED球泡灯，其中，所述印刷电路板为铝基板或由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成。

4.如权利要求1所述的LED球泡灯，其中，所述散热器包括：

第一散热器，其下端具有容纳所述驱动电源模块的内腔并且位于所述灯头内部；

第二散热器，其一端固定于所述第一散热器的内部而另一端位于所述第一散热器的外部，

所述LED发光模块包括：

设置在所述第二散热器的所述另一端外部的多个基板；

设置在所述基板上的LED单元。

5.如权利要求4所述的LED球泡灯，其中，所述第一散热器由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成，所述第二散热器由金属材料构成。

6.如权利要求5所述的LED球泡灯，其中，所述第二散热器为实心体，其内部开设有贯通孔以供所述驱动电源模块的输出引线穿过。

7.如权利要求1所述的LED球泡灯，其中，所述散热器呈壳体形状，并且所述LED发光模块包括：

设置在所述散热器顶部的基板，其上形成有与所述电源驱动模块连接的布线层；

设置在所述基板上的金属载板，其包括互不连通的第一图案区和第二图案区，其中，所述第一图案区与所述基板上的布线层电气连接；

至少一个设置在所述第二图案区的、管芯形式的LED单元，其与所述第一图案区电气连接；以及

由绝缘材料制成的框架，其与所述第一和第二图案区固定在一起并且包围所述LED单元。

8.如权利要求7所述的LED球泡灯，其中，所述LED单元的数量为至少两个，它们借助引线实现与所述第一图案区的连接和相互之间的连接。

9.如权利要求7所述的LED球泡灯，其中，所述基板为铝基板或由陶瓷材料或导热绝缘高分子复合材料构成。

10.如权利要求7所述的LED球泡灯，其中，所述框架内包含将所述LED单元包裹住的透明硅胶，所述透明硅胶内混合有荧光粉。