CN112822813A

CN112822813A - Led照明封装

Info

Publication number: CN112822813A
Application number: CN202011293791.3A
Authority: CN
Inventors: M·格雷夫; U·卡博夫斯基
Original assignee: Bright Sharp Holdings Ltd
Current assignee: Bright Sharp Holdings Ltd; Lumileds Holding BV
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2021-05-18
Also published as: US11284489B2; EP3823420A1; US20210153322A1

Abstract

本发明描述了一种LED照明封装（1），其包括：第一LED串，该第一LED串包括多个串联连接的发光二极管；以及第一线性调节器，该第一线性调节器被布置为确定通过第一LED串的电流;至少一个进一步的LED串，包括不同颜色的多个串联连接的发光二极管，以及进一步的线性调节器，被布置为确定通过该LED串的电流;其中不同颜色的LED串被并联连接；用于LED串的公共电压源；并且其中在第一LED串中的发光二极管的数量超过在每个进一步的LED串中的发光二极管的数量，并且选择了在每个LED串中的发光二极管的数量，使得进一步的LED串的总正向电压基本上相同于第一LED串的总正向电压。

Description

LED照明封装

技术领域

本发明描述了LED照明封装；LED照明单元；以及制造LED照明封装的方法。

背景技术

已知通过并联布置红色LED、绿色LED和蓝色LED来实现多色LED封装。在这种RGB封装中使用的发光二极管通常是直接发光的LED，即未包封的管芯，并且在RGBW封装中使用的另外的白色发光二极管通常被磷光体转换。通过使用适当的驱动器架构，由封装输出的光的颜色可以根据期望被控制。例如，单个封装可以包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。驱动器控制通过LED的电流以“混合”期望的颜色。多个这样的RGB或RGBW LED封装可以按二维矩阵形式或以各种其他方式串联布置在柔性条上，并且可以根据期望进行编程，使得每个封装都充当显示模块、照明单元等的像素。

低功率LED封装可以使用线性电流调节来限制电流，例如利用与每个LED串联连接(connect in line with)的线性调节器。公共电源电压可以为LED提供功率。但是，发射不同颜色的LED通常具有不同的正向电压。例如，直接发光的红色LED的正向电压小于可比较的绿色LED、蓝色LED或白色LED的正向电压。红色LED具有约为2 V的典型正向电压，但可比较的绿色LED、蓝色LED或白色LED具有约为3V的典型正向电压。1V的电压差需要由红色LED的线性调节器来补偿，这相当于线性调节器的功耗。该功耗有效地是多余能量到热的转换，意味着现有技术方法与线性调节器组合时效率低下。通常与多色LED封装一起使用的线性调节器驱动器的类型将包括同一线性调节器的数个实例，并且只要线性调节器被用于耗散多余的能量，基于此设计的集成封装就被限制于低功率LED，这汲取低电流。中至高功率LED汲取更高的电流，但是更高的电流对应地导致更高的损耗，使得（相对便宜的）线性调节器驱动器不适用于包括具有不同正向电压的高功率LED的电路。

存在将受益于组合不同颜色的中功率LED或高功率LED的能力的许多应用。一种方法可能是每一个LED使用一个DC-DC转换器，以便使损耗最小化。但是，如果驱动器将与LED一起被包含在共同的封装中，则这带来问题，因为DC-DC转换器和其他所需的部件占用了太多空间。为了避免当LED具有不同的正向电压时与线性调节器相关联的问题，已知的方法是在LED封装外部布置多个单独的DC-DC转换器（每个LED一个）。但是，这样的实现是比较大的，并且不能在空间受限的应用中被使用。

因此，本发明的一目的是提供将不同颜色的LED组合到共同的封装中的方法，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的由权利要求1的LED照明封装来实现；由权利要求13的照明单元来实现；以及由权利要求15的制造LED照明封装的方法来实现。

根据本发明，LED照明封装包括：第一LED串，其包括多个串联连接的发光二极管；以及第一线性调节器，其被布置为确定通过第一LED串的电流；至少一个进一步的LED串，其包括不同颜色的多个串联连接的发光二极管，以及进一步的线性调节器，其被布置为确定通过该LED串的电流；其中不同颜色的LED串被并联连接；以及用于LED串的公共电压源。进一步的LED串的LED的正向电压大于第一LED串的LED的正向电压。该LED照明封装的特征在于，第一LED串中的发光二极管的数量超过每个进一步的LED串中的发光二极管的数量，并且选择了每个LED串中的发光二极管的数量，使得进一步的LED串的总正向电压基本相同于第一LED串的总正向电压。

本发明基于这样的见解：通过匹配这种LED封装中的LED串的正向电压，最小化或者甚至消除线性调节器中的过多功耗是可能的。需要由“红色”LED串的线性调节器补偿的电压差远低于可比的现有技术照明封装中的电压差，并且可以为0.1 V或甚至更低。本发明的LED照明封装的优点是，可以增加串中的LED的数量，而不冒在线性调节器中发展的不期望的温度的风险。

根据本发明，照明单元包括多个这样的LED照明封装，并且被实现用于汽车照明应用、装饰照明应用、视频墙应用等中的任何一种。

根据本发明，制造LED照明封装的方法包括以下步骤：为第一LED串提供多个串联连接的发光二极管；为至少一个进一步的LED串提供多个不同颜色的串联连接的发光二极管，其中进一步的LED串的LED的正向电压大于第一LED串的LED的正向电压。选择了每个LED串中的发光二极管的数量，使得每个LED串具有基本相同的总正向电压；并联连接不同颜色的LED串;为LED串提供公共电压源；并将线性调节器连接至每个LED串。

从属权利要求和以下描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。实施例的特征可以被适当地组合。在一个权利要求类别的上下文中描述的特征可以同样地应用于另一个权利要求类别。

线性调节器的目的是控制通过相关联的LED串的电流，使得该串发射期望亮度水平的光。在下文中，可以假定线性调节器被实现为低压差调节器（LDO）。还可以假设线性调节器是相同的。线性调节器可以以具有输入引脚和输出引脚的集成电路封装的形式被提供。“低侧”线性调节器的每个输入引脚都可以被连接至LED串的阴极，而输出引脚可以被共同连接至返回电源线或接地。可替换地，可以使用“高侧”线性调节器，在这种情况下，调节器的输入引脚被连接至电源线，它的输出引脚被连接至LED串的阳极，并且LED串的阴极被连接接地。

第一LED串可以包括通常在1.6 V–2.2 V范围内具有低正向电压的发射红光的LED。可替换地，第一LED串可以包括发射红外光的LED，该发射红外光的LED通常具有甚至更低的约1.2-1.8 V的正向电压。在下文中，不以任何方式限制本发明，可以假设第一LED串包括发射红光的LED。

在本发明的优选实施例中，LED照明封装包括两个LED串，其中第一LED串包括红色发光二极管，并且第二LED串包括琥珀色发光二极管。

在本发明的进一步的优选实施例中，LED封装包括三个LED串，其中第一LED串包括红色发光二极管，第二LED串包括绿色发光二极管，并且第三LED串包括蓝色发光二极管。

在本发明的进一步的优选实施例中，LED封装包括四个LED串，其中第一LED串包括红色发光二极管，第二LED串包括绿色发光二极管，第三LED串包括蓝色发光二极管，并且第四LED串包括带有白色磷光体的蓝色发光二极管。

如果第一LED串的红色发光二极管的正向电压被表示为V_{f_lo}，并且“红色”串中的LED的数量被表示为m，并且如果进一步的LED串的发光二极管的正向电压被表示为V_{f_other}，并且这个“进一步的”串中的LED数量被表示为n，那么通过选择m和n来优选匹配串的正向电压，使得m·Vf_{f_red}基本上等于n·Vf_{f_other}。在此，如果术语仅相差可忽略的量，例如至多百分之几，则它们基本上相等。

在本发明的优选实施例中，第一LED串包括三个红色发光二极管，每个红色发光二极管具有2 V的正向电压，使得“红色”串的总正向电压为6 V。在这个实施例中，任何进一步的LED串包括两个发光二极管，每个发光二极管具有3 V的正向电压，使得“进一步的”串的总正向电压也为6V。

在本发明的进一步的优选实施例中，第一LED串包括六个红色发光二极管，每个红色发光二极管具有2 V的正向电压，使得“红色”串的总正向电压为12V。在这个实施例中，任何进一步的LED串包括四个发光二极管，每个发光二极管具有3 V的正向电压，使得“进一步的”串的总正向电压也为12V。

尽管低功率LED是常见的并且将在广泛的应用中被发现，但是由于由功耗生成的热产生的问题，高功率LED通常被限制在具体应用中使用。使用等长LED串的现有技术方法的特征在于一定程度的效率低下，因为红色LED串的调节器必须比任何其他颜色串的线性调节器耗散更多的功率。在非常小的封装尺寸的情况下，功耗可能导致不期望的发热，这又可能导致降低的光输出。在具有紧张电源预算或有限电源的应用中，例如从电池供电的任何应用中，功耗也是问题。本发明克服了这些问题，因为匹配的正向电压意味着不需要任何具体的线性调节器来耗散比其他（多个）调节器更多的功率。由于这些和其他原因，本发明具体适合于需要具有非常高的光输出或光通量的小光源的应用。因此，在本发明的优选实施例中，LED串的每个LED具有大约50 mW至100 mW的额定功率。这样的LED被称为中功率LED。在本发明的进一步的优选实施例中，LED串的每个LED具有大约500 mW至1 W的额定功率。这样的LED被称为高功率LED。

本发明的LED照明封装可以以任何合适的方式被实现。例如，在本发明的优选实施例中，LED串包括通过结合线串联连接的单独的管芯。可替换地，LED串可能包括在诸如引线框或***物的载体上使用导电胶或焊料串联连接的单独的管芯。

本发明的LED照明封装的LED可以被实现为单结管芯。可替换地，本发明的LED照明封装可以包括多结管芯，或者单结管芯和多结管芯的组合。

在本发明的照明单元的一个示例性实施例中，本发明的照明单元针对具有后位置灯功能和琥珀色信令灯功能的汽车照明应用而被实现。后位置灯功能由LED照明封装的红色LED串来完成。在此实施例中，LED照明封装仅需要两个LED串，并且第二LED串包括琥珀色发光二极管。照明单元可包括这些LED照明封装中的一个或多个。

本发明的其它目的和特征将从结合附图考虑的以下详细描述变得清楚。然而，要被理解，附图仅仅被设计用于说明的目的并且不作为本发明的限制的定义。

附图说明

图1示出了图示本发明的LED照明封装1的实施例的电路图；

图2示出了图示本发明的LED照明封装1的进一步的实施例的电路图；

图3示出了示例性的LED照明封装;

图4示出了现有技术的LED照明封装。

图5和图6图示出了在现有技术的LED照明封装和本发明的LED照明封装之间的区别。

在附图中，类似的标号自始至终指代类似的对象。图中的对象未必按照比例绘制。

具体实施方式

图1示出了使用本发明的LED照明封装1的第一实施例。在此，本发明的LED照明封装1的多个实例被连接在LED照明单元2中，用于紧凑的应用，诸如汽车内部的背景照明（backlighting）。每个LED照明封装1包括：第一LED串S1，其包括三个串联连接的红色发光二极管D_red；以及第一线性调节器LR1，其被布置为确定通过第一LED串S1的电流。每个LED照明封装1包括两个进一步的LED串S2、S3，每个LED串S2、S3包括两个串联连接的不同颜色的发光二极管Dx、Dy，以及两个线性调节器LR2、LR3，以控制通过这些LED串S2、S3的电流。线性调节器L1、L2、L3可以被假定为是相同的。可以假设“进一步的” LED串S2、S3包括除了红色以外的任何颜色的两个相同的LED。不同颜色的LED串S1、S2、S3被并联连接并且被连接至公共电压源V_in。线性调节器LR1、LR2、LR3的输出连接接地。在每个LED照明封装1中，选择了每个LED串S1、S2、S3中的发光二极管的数量，使得进一步的LED串S2、S3的总正向电压与第一LED串S1的总正向电压基本相同。对于任何串，总正向电压是该串中LED的正向电压之和。第一LED串S1的总正向电压因此是红色LED D_red的正向电压的三倍，而进一步的LED串S2、S3的总正向电压是该串中使用的LED的正向电压的两倍。

图2示出了本发明的LED照明封装1的进一步的实施例。同样在这种情况下，LED照明封装1包括红色LED D_red(在这种情况下是12个红色LED D_red)的第一LED串S1。第一线性调节器LR1确定通过第一LED串S1的电流。LED照明封装1包括进一步的LED串S2、S3、S4，每个LED串包括八个串联连接的不同颜色的发光二极管Dx、Dy、Dz，以及线性调节器LR2、LR3、LR4，以控制通过这些LED串S2、S3、S4的电流。线性调节器L1-L4可以被假定是相同的。可以假设“进一步的” LED串S2、S3、S4包括八个相同的除红色之外的任何颜色的LED Dx、Dy、Dz。不同颜色的LED串S1、S2、S3、S4被并联连接并且被连接至公共电压源V_in。线性调节器LR1–LR4的输出连接接地。在LED照明封装1中，选择了每个LED串S1、S2、S、S4中的发光二极管的数量，使得对于每个串S1、S2、S3、S4，总正向电压基本相同。在这个实施例中，可以假设串S2、S3、S4分别包括绿色LED、蓝色LED和白色LED，使得

12·V_{f_lo} = 8·V_{f_green} = 8·V_{f_blue} = 8·V_{f_white}

图3示出了示例性的LED封装，其中三个LED串S1、S2、S3以IC封装的形式被连接至线性调节器模块LR。在这个实施例中，LED串S1、S2、S3包括使用结合线串联连接的单独的管芯。整个电路被封闭在壳体10中，并由环氧圆顶11包封。这种类型的封装可以被制造为具有四根引线的塑料引线芯片载体（PLCC），即PLCC-4封装。

图4示出了基于使用等长串的常规方法的LED照明封装4的简化电路图。在此，封装4包括三个串S_R、S_G、S_B，每一个串具有同样数量的相同的LED，使得“红色”串包括三个红色LED，“绿色”串S_G包括三个绿色LED，以及“蓝色”串S_B包括三个蓝色LED。这种照明电路的问题是，“红色”串的总正向电压小于其他两个串S_G、S_B中任何一个的总正向电压，这意味着“红色”串的线性调节器LR1必须耗散由正向电压中的差异产生的功率。由于这种能量的浪费，这样的电路效率低下。此外，该电路被限于低功率LED，因为这种类型的线性调节器不适于由汲取较高电流的中功率至高功率LED产生的功率的耗散。

必须由线性调节器耗散的功率与LED电流直接有关。最大可允许的功耗经受诸如PCB类型、PCB布局、散热器尺寸、环境温度等的约束。因此，如果100 mW范围内的功率必须被耗散，则当在位于图3中描述的PLCC-4中被封装时这可能已经超过驱动器的额定容量。由于这些原因，为了降低成本，现有技术的LED封装通常每种颜色仅具有一个LED。代替图4的三个串S_R、S_G、S_B，该电路将仅包括单个红色LED、单个绿色LED和单个蓝色LED。

图5和图6图示了在现有技术的LED照明封装4（在图5中示出）和本发明的LED照明封装1 （在图6中示出）之间的区别。在图5中，三个不同颜色的LED D_red、D_x、D_y由3.3 V电源供电。LED D_red、D_x、D_y各自汲取1 A的电流。红色LED D _red的正向电压为2 V，而其他两个LEDD_x、D_y的每一个的正向电压为3 V。用于红色LED D_red的线性调节器LR1的热损耗P_{loss_red}为：

用于其他颜色LED D_x、D_y的线性调节器LR2、LR3的热损耗P_{loss_other}为：

在图6中，不同颜色的LED D_red、D_x、D_y的三个串S1、S2、S3由6.6 V电源供电。“红色”串包括3个红色LED D_red，而其他串（例如，“蓝色”串和“绿色”串）每个仅包括两个LED D_x、D_y。“红色”串汲取0.3 A的电流，而其他两个串S2、S3每个汲取0.5 A的电流。红色LED D_red的正向电压为2 V，而其他两种类型的LED D_x、D_y的每一个的正向电压为3V。在这种情况下，用于“红色”串S1的线性调节器LR1的热损耗P_{loss_red} 为：

对于其他串S2、S3的每一个，线性调节器LR2、LR3的热损耗P_{loss_other}为：

在位于图5中示出的现有技术LED照明封装中与红色LED相关联的热损耗是在位于图6中示出的本发明LED照明封装中与红色LED串相关联的热损耗的四倍之上。这是由于图6电路中的“红色”通道的更高效率。本发明电路的优点是可允许的净空（headroom），即增加通过红色LED的电流以补偿与在LED照明封装工作期间升高的接点温度相关联的通量下降是可能的。

虽然已经以优选实施例及其上的变形的形式公开了本发明，但是将被理解的是，可以不脱离本发明的范围对其做出众多另外的修改和变形。

出于清楚起见，要被理解的是，遍及此申请的“一”或“一个”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。

附图标记

LED照明封装 1

壳体 10

环氧圆顶 11

LED照明单元 2

现有技术的LED照明封装 4

LED串 S1、S2、S3、S4

LED串 S_R、S_G、S_B

线性调节器 LR1、LR2、LR3、LR4

线性调节器IC封装 LR

发射红光的LED D_red

LED Dx、Dy、Dz

公共电压源 V_in。

Claims

1.一种LED照明封装（1），包括

-第一LED串（S1），所述第一LED串（S1）包括多个串联连接的发光二极管（D_red），以及第一线性调节器（LR1），所述第一线性调节器（LR1）被布置为确定通过所述第一LED串（S1）的电流；

-至少一个进一步的LED串（S2、S3、S4），所述至少一个进一步的LED串（S2、S3、S4）包括不同颜色的多个串联连接的发光二极管（Dx、Dy、Dz），以及进一步的线性调节器（LR2、LR3、LR4），所述进一步的线性调节器（LR2、LR3、LR4）被布置为确定通过所述LED串（S2、S3、S4）的电流；其中不同颜色的LED串（S1、S2、S3、S4）被并联连接；

-用于所述LED串（S1、S2、S3、S4）的公共电压源（V_in）；

特征在于

在所述第一LED串（S1）中的发光二极管（D_red）的数量超过每个进一步的LED串（S2、S3、S4）中的发光二极管（Dx、Dy、Dz）的数量，并且选择了在每个LED串（S1、S2、S3、S4）中的发光二极管（D_red、Dx、Dy、Dz）的数量，使得进一步的LED串（S2、S3、S4）的总正向电压基本上相同于所述第一LED串（S1）的总正向电压。

2. 根据权利要求1所述的LED照明封装，其中所述第一LED串（S1）的发光二极管（D_red）的正向电压是V_{f_lo}，并且进一步的LED串（S2、S3、S4）的发光二极管（Dx、Dy、Dz）的正向电压是V_{f_other}，并且其中选择了在每个LED串（S1、S2、S3、S4）中的发光二极管的数量（m、n），使得m·Vf_{f_lo} ＝ n·Vf_{f_other}。

3.根据权利要求1或2所述的LED照明封装，包括两个LED串（S1、S2），其中所述第一LED串（S1）包括红色发光二极管（D_red），并且其中所述第二LED串（S2）包括琥珀色发光二极管。

4.根据权利要求1或2所述的LED照明封装，包括三个LED串（S1、S2、S3），其中所述第一LED串（S1）包括红色发光二极管（D_red），并且其中所述第二LED串（S2）包括绿色发光二极管，以及所述第三LED串（S3）包括蓝色发光二极管。

5.根据权利要求1或2所述的LED照明封装，包括四个LED串（S1、S2、S3、S4），其中所述第一LED串（S1）包括红色发光二极管（D_red），并且其中所述第二LED串（S2）包括绿色发光二极管，所述第三LED串（S3）包括蓝色发光二极管，以及所述第四LED串（S4）包括白色发光二极管。

6. 根据权利要求3至5中的任一项所述的LED照明封装，其中所述第一LED串（S1）包括三个红色发光二极管（D_red），每个红色发光二极管具有2 V的正向电压，并且其中任何进一步的LED串（S2、S3、S4）包括两个发光二极管（Dx、Dy、Dz），每个发光二极管具有3 V的正向电压。

7. 根据权利要求3至5中任一项所述的LED照明封装，其中所述第一LED串（S1）包括六个红色发光二极管（D_red），每个红色发光二极管具有2 V的正向电压，并且其中任何进一步的LED串（S2、S3、S4）包括四个发光二极管（Dx、Dy、Dz），每个发光二极管具有3 V的正向电压。

8. 根据权利要求1至5中任一项所述的LED照明封装，其中LED串（S1、S2、S3、S4）的发光二极管（D_red、Dx、Dy、Dz）具有至少50 mW、优选至少500 mW的额定功率。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的LED照明封装，其中LED串（S1、S2、S3、S4）包括由结合线串联连接的单独的管芯。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的LED照明封装，其中LED串（S1、S2、S3、S4）包括串联连接在载体上的单独的管芯。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的LED照明封装，其中LED串（S1、S2、S3、S4）的两个或更多个发光二极管被实现为多结管芯。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的LED照明封装，其中线性调节器（LR1、LR2、LR3、LR4）被实现为低压差调节器。

13.一种LED照明单元（2），包括多个根据权利要求1至12中任一项所述的LED照明封装（1），所述照明单元（2）被实现用于汽车照明应用、装饰照明应用、视频墙应用中的任何一种。

14.根据权利要求13所述的照明单元，所述照明单元被实现用于汽车照明应用，并且其中LED照明封装（1）包括两个LED串（S1、S2），其中所述第二LED串（S2）包括琥珀色发光二极管。

15.一种制造LED照明封装（1）的方法，包括以下步骤：

-提供第一LED串（S1），所述第一LED串（S1）包括多个串联连接的发光二极管（D_red）；

-提供至少一个进一步的LED串（S2、S3、S4），所述至少一个进一步的LED串（S2、S3、S4）包括不同颜色的多个串联连接的发光二极管（Dx、Dy、Dz），其中在所述第一LED串（S1）中的发光二极管（D_red）的数量超过在每个进一步的LED串（S2、S3、S4）中的发光二极管（Dx、Dy、Dz）的数量，并且选择了在每个LED串（S1、S2、S3、S4）中的发光二极管（D_red、Dx、Dy、Dz）的数量，使得每个LED串（S1、S2、S3、S4）具有基本相同的总正向电压；

-并联连接不同颜色的LED串（S1、S2、S3、S4）；

-为所述LED串（S1、S2、S3、S4）提供公共电压源（V_in）；以及

-将线性调节器（LR1、LR2、LR3、LR4）连接至每个LED串（S1、S2、S3、S4）。