CN105103655B - 光源和用于制造所述光源的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于集成在具有电路板(3)的前照灯内的光源(1)和一种用于制造所述光源的方法，在所述电路板上布置至少一个发光二极管(LED)(2)和用于给所述LED(2)供电的转换器单元(5)，其中所述转换器单元(5)和所述至少一个LED(2)被实施为表面贴装器件(surface‑mounted device，SMD)并且所述转换器单元(5)具有一个或多个降压转换器。

Description

光源和用于制造所述光源的方法
技术领域
本发明涉及一种用于集成在具有电路板的前照灯内的光源，在该电路板上布置至少一个发光二极管(LED)和用于给所述LED供电的转换器单元；以及一种用于制造这样的光源的方法。
背景技术
这样的光源尤其是在机动车领域内越来越多地被应用在前照灯中，用于主灯功能或信号光功能，并且典型地与光学元件、如反射器、投射器和光导体相结合。
一种传统的、在实践中所使用的LED主前照灯例如具有一个或多个LED模块，为了给所述LED供应恒定电流而具有一个或多个分离的电子镇流器。LED模块与镇流器的连接借助插拔连接和电缆连接实现。因为为了控制LED使用脉冲宽度调制的信号，为此所必需的线路在以下区域内放射，该区域在电气或电子设备中可能在周围环境中引起干扰。这一问题通常是借助控制设备内的输出滤波器来克服，但这在小的占空比的情况下带来限制，因为小的占空比向下受到了滤波器元件的限制。此外，在分离的控制设备中所必需采用的升压转换器和降压转换器导致控制设备的效率差，并且要求相应大的散热体。因此，LED主前照灯对于内部的电缆束提出更高的要求，并且另外需要比例如传统的卤素主前照灯更大的结构空间。
将转换器单元和至少一个LED集成在共同的电路板上，具有以下优点，即：不必使用自身的、与LED模块相分离的控制设备，并且因此该集成简化了应用、即不仅前照灯的设计、而且光源的安装，并且降低或避免电磁辐射。例如已知以下光源，其由完全封闭的、标准化的模块构成并且向外提供所定义的热接口、电气接口和光学接口。在此，考虑设计上的自由度在光学特性和热特性方面的不利限制，以便达到最大的可替换性和标准化。
在已知的光源中，四个或更多个LED串联并且由共同的电压转换器、例如SEPIC电压转换器(SEPIC-Single Ended Primary Inductance Converter单端初级电感转换器)供电，所述转换器使得可用的车载电网电压相应地升压和降压；LED在此被实施为板上芯片模块。两项措施都降低了标准化光源的制造成本，但尤其是用于升压转换的电压转换器由于差的能效而要求相对昂贵或体积庞大的冷却装置。
发明内容
与此相对，本发明的任务在于，创造一种更加紧凑的光源，该光源另外容许以LED的可变装配。
所述任务在开头所述类型的光源中通过以下方式来解决，即：转换器单元和至少一个LED被实施为表面贴装器件(surface-mounted device，SMD)，其中转换器单元具有一个或多个降压转换器。尤其是转换器单元的全部转换器电路是降压转换器。这种光源的特征在于，在电压转换中的损耗热量特别少，因为单纯的降压转换器具有比每个其他的开关调控器类型更高的电气效率。因此，可使用更简单且更紧凑的冷却装置。此外，由于被设置为SMD部件的LED和转换器单元，光源在制造期间不用在电路板上进行改变而能够灵活地适配于不同的要求。相对于电路板的完全装配而言，以LED的装配例如能够被缩减和/或能够适配地选择装配的位置。因此，总体而言，得到一种明显更灵活以及更紧凑并且因此还能够更易于集成且可通用的光源，该光源具有小的总重量并且该光源的安装带来最小化的布线花费。此外，通过系统功能的分割，实现组件在不同应用中最大可能的再利用，并且因此实现规模效应。
LED配置应该有利地选择，使得每个LED具有等于或小于转换器单元的供电电压的供电电压。在一种典型的为6至18V的车载电网电压的条件下，这可以意味着，至多有两个LED串联。这种电路的另一个优点是，能够简单且可靠地借助测量LED支路电压来诊断单个LED的失灵。
因此，优选地仅设置降压转换器、但不是升压转换器作为真正的转换器。
如果需要更多数量的LED，那么适宜的是，转换器单元具有多个降压转换器并且被实施为集成套件(系统级封装System-in-Package，SiP)。通过集成在SiP内，能够相对于独立的电压转换器相对小地保持空间需求，并且尽管如此可设置多个高效转换器来给LED供电。
为了在使用两个以上LED的情况下避免必需使用无效率的升压转换器，此外适宜的是，在电路板上布置有多个LED的并联电路并且该并联电路与转换器单元相连接。通过所述并联电路防止LED正向电压的累加，并且也可仅设置(至少)一个降压转换器，以便由车载电网电压给多个LED供电。
为了冷却LED和转换器单元，另外有利的是，电路板为热基板，优选为尤其是具有铝芯或铜芯的金属芯电路板，。通过特殊的电路板，直接在LED中实现热扩散，并且由此低地保持LED阻挡层温度。
如果在与LED相对的侧上冷却装置、优选为冷却板或压铸件与电路板相连接、尤其是焊接，就能够实现改进地导出LED和转换器单元的所产生的损耗功率。由于所使用的电压转换器(降压转换器)相对高的效率，冷却装置通常能够比已知光源中的更加紧凑。
对于最佳的热量分布，有利的是，冷却装置由与电路板的金属芯相同的材料构成。此外，可由此降低在电路板与冷却装置之间可能存在的机械应力，并且两个部件例如借助焊接的连接被简化。
已经表明为特别适宜的是，转换器单元具有用于传输诊断和/或控制数据的接口，该接口优选被实施为单线接口，尤其是被实施为本地互联网(LIN)接口。通过这样的接口，中央监测装置和/或控制装置可与光源相连接，使得例如可能的故障功能可以被通知给其他系统并且不操控供电电压就能够控制光源。
如果连同转换器单元和至少一个LED一起在电路板上布置分级编码元件、尤其是分级编码电阻，可以相对于现有技术实现进一步的改进。“分级”在该上下文中理解为，对所使用的LED根据其光效率和色彩偏差进行的分类。在已知的对所使用的LED的分级中，即便是在不同分类的LED的情况下，也能够通过相应地调整供电电流来实现一致的光色。在一种在电路板上的布置中，分级编码元件不必-像在现有技术中到目前为止所常见的那样-通过额外的线路、例如供电接口从外面读取，而是可直接地、也就是说在电路板上局部地调节与LED的分级、即分类相关联的电流。通过以下方式能够实现分级编码元件的集成，即：所装配的LED的分级在制造时是已知的，并且因此与相应的分级相关联的分级编码元件可立即被选出并且同样被装配。分级编码元件例如可以是分级编码电阻或者利用相应的分级设定来编程的逻辑构件。有利的是，这里说明的解决方案可靠得多，例如对于电路板上的湿度或污染更不敏感，避免了购买LED时的兼容性问题，并且同时比测量分级编码电阻的成本更适宜。
此外，已经表明为适宜的是，用于测量LED电流的测量电阻与至少一个LED相串联、优选连接在LED与地之间。由于LED和转换器单元集成在仅一个电路板上，因而不需要LED驱动器、即转换器单元在相对于地或者相对于供电电压短路方面的抗短路强度。因此，用于电流测量的测量电阻或分流电阻在电压方面既可被布置在LED支路的前面(“高侧”)，又可被布置在LED支路的后面(“低侧”)。在此，后置的布置-在LED与地之间-具有用于电流测量的明显更低的电路花费的优点，使得能够实现光源的减价。
开头所述类型的方法通过以下方式解决上述任务，即：在制造上述类型的光源时，在光源的构造在其他方面相同的情况下，与电路板相连的LED的数量和位置被配置。因此，借助各当前的配置，可以制造一系列不同装配的电路板，由此相对于完全标准化的光源，当前的光源在光学特性和热特性方面的灵活性明显提升。
在该上下文中已经被证明为特别适宜的是，至少一个LED通过回流焊接与电路板相连接。回流焊接实现简单、快速且可靠的连接，并且能够同时简单地根据所配置的装配通过以下方式进行调整，即：可能多余的焊接点被排除或不配备焊料。
附图说明
下面借助尤其优选的实施例，并且参照附图，更进一步地阐明本发明，但本发明不应该局限于所述实施例。在此，在附图中详细地：
图1示出一种具有降压转换器的紧凑型光源的侧视图；
图2示出根据图1的光源的俯视图；
图3示出一种具有冷却装置的紧凑型光源的侧视图；
图4示出一种紧凑型光源的剖面图；
图5a示出一种具有唯一的降压转换器的紧凑型光源的示意性框图；
图5b示出根据图5a的光源的一种变型；
图6a示出根据图5a的示意性框图另外具有逻辑构件；以及
图6b示出根据图6a的光源的一种变型。
具体实施方式
在图1中示出了具有多个LED 2的光源1的侧视图。LED 2为SMD部件，其被布置在电路板3上或者与电路板3连接。光源1在LED 2的区域内的结构高度4在本实例中约为4mm。此外，电路板3具有转换器单元5，该转换器单元同样借助SMD工艺来装配，并且具有连接件6，用于光源1与车载电网或前照灯电缆束的电气连接。转换器单元5被实施为集成套件或系统级封装(SiP)，并且集成至少一个、优选多个降压转换器7(参见图5)。降压转换器7被设置用于由典型的车载电网范围6至18V到LED正向电压的电压转换，使得例如(分别)两个串联的LED 2可用恒定电流供电。在被实施为SiP的转换器单元5中，具有功率MOSFET 8、所需的电感9和可能的电容10的电流调控回路被集成在壳体内(参见图5)。转换器单元5的尺寸在本实例中约为15×15×15mm。
为了冷却带有损耗的部件2、5、尤其是LED 2，电路板3被构造为例如具有铝芯或铜芯11的金属芯电路板(IMS)(参见图4)，但其中也可设置具有μ通孔的环氧化物电路板、Iceberg-电路板、陶瓷电路板或可比较的热基板。因此，无论是LED 2还是转换器单元5与电路板3不仅电连接、而且热连接，使得能够通过电路板3导出由部件2、5所释放的热量。在本实例中，电路板3被布置在具有相当高的导热性的载体12上，热量能够被传导到该载体上。
如图2中所示，电路板3是矩形的，具有约为50×20mm的尺寸，并且因此比已知的全集成式(在具有LED的电路板上设有电压转换器的)LED光源更加紧凑。LED 2通过电路板3上的印制导线13、例如铜印制导线与转换器单元5相连接，并且部分地以并联电路来布置，其中始终仅一个或两个LED 2被串联连接并且通过并行的线路与转换器单元5相连接。由此实现非常短的连接距离，并且能够几乎完全避免部分高频的电压脉冲的辐射。因此，在转换器单元5内的电压转换器的输出端上可能存在的过滤措施可以明显得以减少，并且因此也能规矩地描绘更小的占空比。所有LED 2的供电电压等于或小于在连接件6上所提供的车载电网电压。
除了到车载电网上的接线14以外，转换器单元5具有LIN接口15(参见图6)，所述LIN接口被设置用于通过LIN总线来传输诊断和/或控制数据。为了连接到总线上，转换器单元5可附加地具有可编程的逻辑构件16，所述逻辑构件实现相应的总线协议。由此，例如LED失灵可以被传递给中央控制设备，并且可根据出现的控制信号来配置降压转换器7，使得例如能够从LIN总线上的中央控制设备出发控制LED 2的亮度和/或颜色。但可以取代LIN接口15，在优点不受明显限制的条件下，设置任意单向或双向的接口，其中单线接口具有连接非常简单且成本适宜的优点。
图3中所示的光源1的变型在电路板3的背向LED 2的侧17上具有冷却装置18。冷却装置18被构造为冷却板19。冷却板19优选由与金属芯电路板3的芯11相同的材料构成，并且与该金属芯电路板3优选借助激光焊接相连接。
但也可采用由其他金属或由陶瓷构成的散热体。通过这样的冷却装置18，实现从SMD部件2、5例如向周围环境的非常有效的散热。在必要情况下，可另外借助通风装置实现强制对流。
图4示出了光源1的另一种变型的剖面图，该变型基本与图3中所示的光源相似，但在这里所示的没有冷却装置。尤其是在这里可以看到电路板3具有优选由铝或铜构成的金属芯11、被布置在金属芯11上的绝缘层20以及被布置在绝缘层20上的铜印制导线21的构造。在铜印制导线21与所装配的器件2、5、16之间，分别布置焊接薄板22，用于电气连接。如在图4中可见，绝缘层20相对于金属芯11而言比较薄，使得实现了电路板3的良好的导热性以及由部件2、5、16向金属芯11的热传导尽可能不受阻碍。
在图5a中示出了紧凑型光源1的示意性框图。这里所表示的光源1包括两个LED 2和用于给LED 2供电的转换器单元5。转换器单元5在其方面具有降压转换器7，所述降压转换器以本身已知的方式由功率MOSFET 8、电感9和二极管23构造。此外，转换器单元5设有电流调控器24，所述电流调控器借助在测量电阻25上下降的电压来进行电流测量，并且根据所测量的电流与额定电流之间的偏差来调整功率MOSFET 8的占空比。电流调控器24通过接线14被连接到车载电网或车载电网电压上。电流调控器24通过控制输入端26输送的方式获得所要使用的额定电流。另外，电流调控器24与第二个控制输入端27相连接，所述第二个控制输入端用于传输光源1的亮度值。电流调控器24的诊断输出端28例如可以被用于把运行特性数据和/或故障信号传输给中央控制设备(未示出)。
另外，在功率MOSFET 8的调控中，电流调控器24此外考虑分级编码电阻29的电阻值，该分级编码电阻并不隶属于转换器单元5，但同样被布置在电路板3上并且与电流调控器24相连接。在光源1的制造中，依据LED 2的分级来选择所要装配的分级编码电阻29，使得能够借助可通用的转换器单元5尽可能地不依赖于分别装配的LED 2的分级来制造当前的光源1。
在图5b中所示的电路中，测量电阻25相对于图5a中所示的、被布置在LED 2前面的布置而言被布置在LED的后面；也就是说，测量电阻25被连接在LED 2与地30之间，因为在当前光源1的输出端上出现短路的情况下，测量电阻25的保护不是必需的。
在图6a中示出了根据图5a的光源1的一种变型的示意性框图。取代多个外部的控制和诊断接线26、27、28，转换器单元5的电流调控器24的相应的输入或输出端与独立的逻辑构件16相连接。逻辑构件16优选是可编程的，并且实现一种通过单线或者尤其是LIN接口15进行串行通信的总线协议。逻辑构件16可通过与电流调控器24相同的电压供电。在这种变型中，具有仅仅三个接线14、15的光源1就够用。
在图6a中所示的光源1中，应该同样可设想的是，去掉分级编码电阻29，并且LED 2的分级在制造的过程中例如被存储在逻辑构件16内并且在运行中通过另外的接口从逻辑构件16传输给电流调控器24。这例如应该具有以下优点，即：分级应该是与湿度和温度无关的，并且能够成本更适宜地被设定。
与图5b可比较，在图6b中相对于图6a中所示的电路，用于测量支路电流的测量电阻25被布置在LED 2的后面，或在“低侧”布置中与LED 2串联连接并且被连接在LED2与地30之间，这实际上明显简化了该电路并且使其制造变得更加经济。

Claims (16)

1.用于集成在具有电路板(3)的前照灯内的光源(1)，在所述电路板上布置有至少一个发光二极管(LED)(2)以及用于给所述LED(2)供电的转换器单元(5)，其特征在于，所述转换器单元(5)和所述至少一个LED(2)被布置在所述电路板(3)的正面上并且被实施为表面安装器件(surface-mounted device，SMD)，其中所述转换器单元(5)具有多个降压转换器，使得所述至少一个LED(2)的供电电压等于或小于所述转换器单元(5)的供电电压，并且其中所述转换器单元(5)被实施为集成套件。
2.根据权利要求1所述的光源(1)，其特征在于，在所述电路板(3)上布置有多个LED(2)的并联电路并且所述并联电路与所述转换器单元(5)相连接。
3.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，所述电路板(3)为热基板。
4.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，所述电路板(3)为金属芯电路板。
5.根据权利要求4所述的光源(1)，其特征在于，所述金属芯电路板为具有铝芯或铜芯(11)的金属芯电路板。
6.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，在与所述LED(2)相对的侧(11)上，冷却装置(12)或压铸体与所述电路板(3)相连接。
7.根据权利要求6所述的光源(1)，其特征在于，所述冷却装置(12)是冷却板(13)。
8.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，在与所述LED(2)相对的侧(11)上，冷却装置(12)或压铸体与所述电路板(3)焊接。
9.根据权利要求4所述的光源(1)，其特征在于，在与所述LED(2)相对的侧(11)上，冷却装置(12)或压铸体与所述电路板(3)相连接。
10.根据权利要求9所述的光源(1)，其特征在于，所述冷却装置(12)由与所述电路板(3)的金属芯(11)相同的材料构成。
11.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，所述转换器单元(5)与用于传输诊断和/或控制数据的接口(15)相连接，所述接口被实施为单线接口。
12.根据权利要求11所述的光源(1)，其特征在于，所述接口(15)被实施为本地互联网(LIN)接口(15)。
13.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，连同所述转换器单元(5)和所述至少一个LED(2)一起，在所述电路板(3)上布置分级编码元件。
14.根据权利要求13所述的光源(1)，其特征在于，所述分级编码元件是分级编码电阻(28)。
15.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，用于测量LED电流的测量电阻(25)与至少一个LED(2)串联。
16.根据权利要求1或2所述的光源(1)，其特征在于，用于测量LED电流的测量电阻(25)与至少一个LED(2)被串联在所述LED(2)与地(30)之间。
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