LED光引擎、LED照明灯具以及LED照明系统的制作方法与工艺

本申请涉及一种LED光引擎，尤其涉及一种模块化、标准化的LED光引擎，以及使用该LED光引擎的LED照明灯具和LED照明系统。

背景技术：
相较于传统光源，LED照明具有体积小、节能、寿命长、高亮度、环保等特点。在照明领域，LED发光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，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。在本申请的申请人于2008年8月26日提交的申请号为PCT/CN2008/001534的PCT国际申请中，揭示了一种等截面三角形定向棱镜圆形反光板及由其制成的圆板灯。该圆板灯包括：等截面三角形微棱镜圆形导光板；围绕导光板的散热框，该散热框与导光板之间形成间隙而构成环形灯槽；以及嵌装于环形灯槽内的环形灯组件，该环形灯组件由多个发光二极管(LED)贴片、电阻和线路板构成。该申请的全部内容，通过引用结合于此。在本申请的申请人于2008年8月26日提交的申请号为PCT//CN2008/001535的PCT国际申请中，揭示了一种片灯及包含它的片灯具。该片灯包括：等截面三角形微棱镜方形导光板；围绕导光板的散热框，该散热框与导光板之间形成间隙而构成长条形灯槽；以及嵌装于长条形灯槽内的长条形灯组件，该长条形灯组件由多个发光二极管(LED)贴片、电阻和线路板构成。该申请的全部内容，通过引用结合于此。在上述两项申请的基础上，申请人于2011年11月3日提交了申请号为PCT/CN2010/072352的PCT国际申请，其中将等截面三角形微棱镜圆形或方形导光板改进为变截面三角形微棱镜圆形或方形导光板，以使所制成的灯具具有更佳的发光均匀度。该申请的全文内容，通过引用结合于此。在实施了以上专利申请以后，申请人意识到要实现LED照明在家用环境、办公环境等中的大规模应用，一定要实现LED照明灯具的模块化和标准化。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种模块化和标准化的LED光引擎，以及使用该LED光引擎的LED照明灯具和LED照明系统，从而实现LED照明在家用环境、办公环境等中的大规模应用。根据本发明的一方面，提供了一种LED光引擎，它包括：包括LED阵列的光源模块；设置在所述光源模块发光面的背面上的机械接口，所述机械接口包括至少两个卡口，在所述机械接口内部形成一个空间；设置在所述光源模块发光面的背面中心处的DC电源接口；以及DC-DC恒流驱动模块，设置在所述机械接口内部形成的所述空间中。根据本发明另一方面，提供了一种LED照明灯具，它包括上述LED光引擎；以及灯具底座，其包括机械接口和DC电源接口，与所述LED光引擎中的机械接口和DC电源接口分别相匹配。根据本发明的又一方面，提供了一种平板LED光引擎，它包括：方形的光源模块，其一侧包括LED阵列；DC电源接口，设置在与设置所述LED阵列的一侧垂直的接口端上；和靠近所述接口端设置的机械接口，所述机械接口包括两个缺口；以及设置在所述接口端中的DC-DC恒流驱动模块。根据本发明的又一方面，提供了一种LED照明灯具，它包括上述平板LED光引擎；以及板灯底座，其包括机械接口和DC电源接口，与所述平板LED光引擎中的机械接口和DC电源接口分别相匹配。根据本发明的再一方面，提供了一种LED照明系统，它包括：多个并联的上述LED照明灯具；以及设置在所述LED照明灯具外部的AC-DC恒压驱动模块，用于将交流220V或交流110V转换成适用于LED阵列的直流低压并对多个LED照明灯具供电。本发明的有益效果在于，本发明的LED光引擎外形纤薄，重量轻，通用性强，便于安装和更换，有利于LED照明在家用环境、办公环境等中的大规模应用。附图说明图1A示出了根据本申请的LED光引擎的剖视图。图1B示出了根据本申请的LED光引擎的俯视图。图2示出了根据本申请的LED照明灯具的电路图。图3A示出了根据本申请的LED照明灯具底座的组合式电源座的剖视图。图3B示出了根据本申请的LED照明灯具底座的组合式电源座的仰视图。图4示出了根据本申请的吸顶灯的结构剖视图。图5A示出了根据本申请的挂装灯的结构剖视图。图5B示出了根据本申请的一系列的卡口接线。图6示出了根据本申请的系列筒灯的剖视图。图7示出了根据本申请的LED集成吊顶灯的剖视图。图8示出了根据本申请的LED平面交通灯的剖视图以及部分细节放大图。图9A示出了根据本申请的平板LED光引擎的剖视图。图9B示出了根据本申请的平板LED光引擎的俯视图。图9C示出了根据本申请的平板LED光引擎与板灯底座的安装图。图10示出了根据本申请的家用照明系统的示意图。具体实施方式本发明旨在提供一种模块化和标准化的LED光引擎，以及使用该LED光引擎的LED照明灯具和LED照明系统。所谓“LED光引擎”是指LED照明灯具中的一个子系统，它一般包括：含有LED阵列的照明模块、LED驱动电源、电源接口、机械接口、以及散热机构。申请人意识到要实现一种模块化和标准化的LED光引擎以及使用该LED光引擎的LED照明灯具和LED照明系统，需要对现有LED照明灯具做出以下几方面的改进：1.LED光引擎的机械接口标准化；2.LED光引擎的电源接口标准化；3.LED照明灯具的驱动电源采用二级驱动，第一级将市电交流220V或 110V转换成直流12V或24V(AC-DC)，第二级将直流12V或24V转换成12V或24V恒流(DC-DC)；4.LED光引擎内置DC-DC恒流驱动模块；5.利用内置DC-DC恒流驱动模块的LED光引擎来建设一个LED照明系统。图1A示出了根据本申请的LED光引擎的剖视图，图1B示出了根据本申请的LED光引擎的俯视图。要实现LED照明，一定要实现LED照明灯具的系列化，而系列化的前提是LED光引擎必须模块化和标准化，即采用唯一的标准，使LED光引擎可以适配各种形式、各种类别的灯具。图1A示出了三种尺寸的LED光引擎，它们分别为4英寸(外径120mm，发光面尺寸90mm)、6英寸(外径185mm，发光面尺寸144mm)、8英寸(外径225mm，发光面尺寸182mm)。每个光引擎包括两个接口，即标准化的机械接口101和标准化的DC电源接口102，用于分别与照明灯具的底座上的机械接口和电源接口耦合。在所图示的三个LED光引擎中，机械接口101的基座的几何尺寸是不变的，例如，如图1A中所示，接口基座的定位直径为70mm。LED光引擎的光源模块的尺寸是可以扩展，从4寸、5寸、6寸、8寸、10寸、12寸甚至更大形成系列的模块，而接口基座的定位直径始终是70mm。本领域的技术人员可以理解70mm这一尺寸在本发明中是示例性的，而非限制性，它可以更大，只要小于LED光引擎的尺寸(如4英寸)，也可以更小，只要足以容纳其中的DC-DC恒流驱动模块106。本申请的LED光引擎还包括LED光源模块。LED光源模块包括：LED阵列103、导光基板104，铝合金散热盖板105。采用注塑工艺，把机械接口101和散热盖板105结合在一起。机械接口101的基座叠置在散热盖板105上，DC电源接口102安装在接口基座的中心处，即散热盖板105的中心处。DC电源接口102可以是插头或插座，用于与LED照明灯具底座上的插座或插头相接。机械接口可以包括三个卡口12，两两卡口中心的圆心角相等，为120度，如图1B所示。在将LED光引擎安装到LED照明灯具底座上时，把LED光引擎上DC电源接口的与灯具 底座上的电源接口相对接，LED光引擎上的三个卡口进入灯具底座上的卡口座的三个缺口，然后顺时针或逆时针旋转LED光引擎，直到听到“卡嗒”声，表明完成卡口的机械定位，同时由灯具底座上的电源接口对LED引擎的DC电源接口供电。图中示出了包括三个卡口的机械接口，但本领域的技术人员可以理解，机械接口可以包括在环体周边一体形成的至少两个均布的卡口12。此外，在卡口12上可形成卡口弹片11，以与灯具底座上的卡口座卡配。本申请的卡口弹片11的机械作用是使卡口12在与灯具底座上的卡口座卡配时起机械定位作用。当卡口12经旋转到达卡口座的定位口时，原先被压迫的卡口弹片11释放弹出，使弹片11正好卡在卡口座的定位口内，使LED光引擎不会发生旋转移位，进而脱离卡口座的定位，也就是确保LED光引擎不会脱离灯具底座而坠落。至于如何使LED光引擎从灯具底座上的卡口座脱离，以下将参考图7进行具体描述。图2示出根据本申请的LED照明灯具的电路图。LED阵列需要由恒流源来供电。现行的恒流源的体积比较大，如果把恒流源内置在LED光引擎中，则LED光引擎的体积会显得较大，而LED光引擎本身形体要求轻小，才能更好地担负起可更换模块的功能。再则，不同尺寸的LED光引擎要求不同的驱动电源。因此，本申请中LED阵列的驱动电路采用二级驱动，第一级是把市电交流220V或110V变为直流12V或24V低电压，这个工作由开关电源来完成（AC-DC），第二级是直流12V或24V转换成12V或24V恒流，这个工作由恒流驱动模块来完成（DC-DC）。本领域的技术人员可以理解，此处所用的“12V”或“24V”是示例性的，可以采用12V与24V之间的电压以及更高或更低的电压，例如5V至36V之间的电压。只要能够满足LED阵列的输入电压要求以及散热要求即可。回到图1A，本发明把DC-DC恒流驱动模块106植入LED光引擎的机械接口101的腹腔内。另外，可任选地，可以将调光和智能控制模块107植入LED光引擎中的适当位置处，例如导光基板104和散热盖板105之间的空隙处，由此进一步完善了LED光引擎。使用AC-DC恒压式电源及单独的DC-DC恒流LED驱动这样的设计，使 每一个LED光引擎可以向其中的LED阵列输送一个独立的DC恒流电源。由于DC-DC恒流驱动模块体积小，一般一个10W功率的模块体积为10mm×20mm×15mm，因此把它植入本申请的LED光引擎的机械接口内空间还有盈余。图3A示出了根据本申请的LED照明灯具底座的组合式电源座的剖视图，图3B示出本申请的组合式电源座的仰视图。该组合电源座由N个独立的扇形电源座303组成，从而构成一个整圆。组合电源座的中心部位包括DC电源接口301，DC电源接口301可以是插头或插座，用于与LED光引擎上的插座或插头相接。组合电源座的中心部位还设置了一个n边形的中心接线盒302，n边形的每一边即每一个面上安装了一个或多个接线端子，这一个或多个接线端子由220V的进线端子和12V或24V的输出接线端子组成，220V进线端子是并联的，12V或24V的输出接线端子也是并联。中心接线盒302的n边形的接线端子都是插座，而扇形电源每一边上的端子都是插针，反之亦然。每一个扇形电源座在水平朝下平面中心位置设置了一个电源接口304，电源接口外侧有螺纹，电源接口的类别和前面介绍的LED光引擎中间部位的电源接口同属一个类型，可以插拔并外周螺纹旋紧，电源接口可以被可靠锁紧。该电源接口304和n边形的中心接线盒302一侧的低电压12V或24V输出接线端子相并联。扇形电源座朝下方向平面上的电源接口304可以作为挂装灯的挂接口，也可以是挂装灯的电源输出口。组合扇形电源座的优点是合理有效地使用灯具底座的电源座的中央空间和周边空间，使扇形电源的电源散热性优化，即在物理结构形态上即又分又合，独立而又捆绑。在电源的供需上，是取之中央又返回中央（取AC220V返回DC12V或DC24V。DC12V或DC24V的电能供应可以在中间端子输出，也可以当作为挂装灯时在每一个扇形电源中心端子输出。另外，LED灯具底座还可以包括机械接口305。机械接口305可以是包括至少两个缺口的卡口座，用于对LED光引擎进行机械定位。图4示出了根据本申请的吸顶灯的结构剖视图，其中4英寸、6英寸、8英寸的LED光引擎安装在LED照明灯具底座的组合式电源座上。如上所述，LED灯具的一个特点是要求恒流源，每一个额定功率的LED 灯具需求一个固定的DC恒流源。本申请是采用组合电源的技术，即采用尽可能少的电源组合，来对不同规格的LED光源模块供应DC恒流。在此试用排列组合的数学方法，叙述本技术。在本申请的组合式电源座中，采用n个扇形电源座。假设存在m种规格型号的电源模块，例如100mA、200mA、300mA等等，那么本申请的组合式电源座总共可以提供种电源模块组合可能。很显然当我们选择为数不多种规格型号的电源模块进行组合，我们就可以获取不少种的电源输出。在本申请的组合电源座上同样可以适配光源模块的直径是10寸、12寸、16寸等的不同尺寸的LED光引擎，以适合更大的照明空间。此外，图3A和3B所示的组合电源座除了可以安装系列的LED光引擎成为吸顶灯外，还可以配置卡口接线，成为挂装灯。图5A示出根据本申请的挂装灯的结构剖视图，该挂装灯是通过在LED灯具底座的组合电源座和LED光引擎之间安装卡口接线而形成的。图5B示出了根据本申请的一系列的卡口接线。在本发明的一个实施例中，卡口接线的两头是定位直径为70mm的塑料卡口，卡口接线是外径为8mm双层绝缘的金属接线，可以承重。卡口接线长度可以为1.5M、1M、0.8M、0.5M等，如图5B所示。卡口接线的上端的电源端子是插头或插座（和灯具底座的电源座上的插座或插头相接），下端的电源端子是插座或插头（和LED光引擎上的插头或插座相接）。卡口接线可采用当代流行的注塑工艺成型。与LED光引擎一样，卡口接线所采用的电源接口是标准化的电源接口，作为一个公共通用标准件，我们甚至规定一个配合公差，以求确保LED光引擎、卡口接线，LED灯具底座在市场上畅通使用。图6示出根据本申请的系列筒灯的剖视图。其中系列LED光引擎和筒灯电源座相配合形成4英寸、6英寸、8英寸系列筒灯。图7示出根据本申请的LED集成吊顶灯的剖视图以及部分细节放大图。系统灯具中一类安装在层板上的灯具应用面也是非常广泛，例如橱柜灯、卫生间吊顶灯、以及轻钢龙骨相配合石膏板或塑铝板安装的吸顶灯。如图7所示，在平顶701上安装轻钢龙骨701配合石膏板或塑铝板703的吊顶，并且在石膏 板或塑铝板703上安装LED集成吊顶灯704。驱动电源座可以在灯具底座一侧，采用插拔式端子和锁紧螺母705与外部电源插头相连，结构紧凑安装方便。图7还具体示出了使LED光引擎从灯具底座脱离的一个快线式释放机构。本申请的LED光引擎的外周尺寸从100mm到400mm不等，如果在光引擎外周用刚性工具来触及弹片使之释放，由于半径距离长，不便操作。因此，本申请设计了一种快线式释放机构。该快线式释放机构是由快线座710、刚性快线棒711、软芯快线712、保护软芯快线的护套713、按钮座714及按钮715组成。使用时只需一按下快线按钮715，把按钮弹簧的压力传送给软芯快线，软芯快线朝压力方向运动，并推动刚性快线棒在快线座内运动。刚性快线棒端头把卡口弹片(图1B中的11)顶开，卡口弹片脱钩，卡口被旋动，这时即可旋转LED光引擎，使之从灯具底座脱离。图8示出根据本申请的LED平面交通灯的剖视图以及部分细节放大图。传统的交通信号灯被取代而采用当代逐步流行的LED作为光源，节约了能源延长了交通信号灯的寿命，取得一定的进步，但是作为一个平面光源需有多颗LED阵列形成一个圆平面，这样的平面布置势必在一个PCB表面造成散热不均匀，圆平面中间部位温度高于圆周，温度的不均匀会影响LED的寿命。LED在交通信号灯中是以点光源出现，作为显示屏作用的交通灯，用户就是广大市民，在路口众目所注，所以交通灯面的光的质量尽可能均匀、柔和，这样的交通灯给人们一种祥和的心理感觉和体现了一个文明社会的祥和。如图8所示，本申请的交通灯采用本申请中的模块化的LED光引擎。如上所述，该LED光引擎采用标准化的机械接口(定位直径为70mm)和电源接口，并且包含DC-DC恒流模块。该LED光引擎采用6000K-8000K的色温。在本申请交通灯中，在无机平板玻璃801和LED光引擎的导光基板802之间设置一块红、绿、黄有机玻璃803。即，在上述LED光引擎前加置了一块彩色（红、黄、绿）有机玻璃803和一块例如5mm厚的无机平板玻璃801和框架804。该框架804通过紧固件805安装紧固在LED光引擎上，并且平板玻璃801通过粘合剂806与框架804胶合。本申请的交通灯可以提高技术性能，其采用定型标准的卡口，这将很大程度地促进了交通灯的通用化和标准化，对促使交通设施现代化有一定的作用。 本申请的交通灯采用24VDC直流电压。本申请人的交通灯表面光线分布均匀。本申请的以上发明构思并不局限于圆板灯，而且还可用于其它几何形状的LED灯具，以下以方形的板灯为例进行描述。图9A示出根据本申请的平板LED光引擎的剖视图。图9B示出根据本申请的平板LED光引擎的俯视图。图9C示出根据本申请的平板LED光引擎与板灯底座的安装图。如图9A和9B所示，本申请的平板LED光引擎包括导光基板901、设置在导光基板一侧的LED阵列901、与LED阵列安装在同一侧的散热条903、盖板904和反射衬板905。在平板LED光引擎的上下两侧设置橡皮条906、模块基座907和固定边框908。此外，可在安装LED阵列一侧的散热条与模块基座之间设置弹簧条909。如图9B所示，平板LED光引擎的与安装LED阵列的一侧垂直的两端分别为接口端910(图9B中的左侧)和边端911(图9B中的右侧)。如图9B和9C所示，接口端910一侧包括两个电源接口912，用于与板灯底座916上的电源接口917相接。电源接口912可以是插座，而电源接口917可以是插头，反之亦然。此外，在接口端中还可以设置DC-DC恒流电源模块913，以及可任选地设置智能控制模块。如图9B和9C所示，在上下固定边框908的靠近接口端处包括两个缺口，用于与板灯底座进行卡配固定。同时，在板灯底座916的对应于该两个缺口的位置处包括两个的锁扣按钮918，按下锁扣按钮918，可从板灯底座上释放LED光引擎。板灯底座通过电源端子919与外部电源相连。在本实施例中，板灯底座916的几何尺寸是不变的，例如长100mm。平板LED光引擎的长度是可以扩展的，从135mm、200mm、300mm、400mm、550mm，从而形成系列的LED光引擎。平板LED光引擎的宽度，即与板灯底座916对接的接口端910的尺寸，是不变的，例如始终是100mm。本申请的内置DC-DC恒流驱动模块的LED光引擎可广泛地应用于各种照明系统环境中。家用照明或办公照明是照明系统的典型示例。图10示出了根据本申请的采用内置DC-DC恒流驱动模块的LED光引擎的家用照明系统示意图。该实施例与本申请图3A和3B所示的实施例略有不同。在本实施例中， AC-DC恒压驱动模块不是个别地设置在各个LED灯具的底座内，而是可以将AC-DC恒压驱动模块耦合到家用配电箱的照明线路输出端，或者直接耦合到家用配电箱内部，从而获得例如直流24V的照明用电，并分别传输到厨房、卫生间、客厅、卧室等各处。在本申请中，由于LED光引擎中内置DC-DC恒流驱动模块，每一路LED灯具都可以得到所需的驱动电流，每一个灯都是长寿命，任何一个灯的失效都不会影响其他灯具的使用，每一个灯的DC-DC驱动的效率达到95%。以上已对本申请的较佳实施例进行了详细说明，但本申请不限于这些实施例。应当理解，在阅读了本申请的说明书之后，本领域的技术人员可以对本申请做出各种修改和变更，这些等价形式同样落在本申请所附权利要求所限定的范围内。