MR16 参考设计

CLD-AP-76 REV 0
CREE XLAMP XP-E MR16
Cree® XLamp® XP-E MR16 参考设计
简介
目录
以合理的成本设计出一款高效、高流明、外形尺寸小的固态照
设计方法/目标........................................................ 2
明灯具是一项挑战。MR16
六步骤法............................................................... 2
灯有限的空间意味着设计光学、
散热和电气元件来达到期望的要求并非易事。
1. 确定照明要求................................................. 2
2. 确定设计目标................................................. 4
本应用说明详述了采用 Cree XLamp XP-E LED 进行 MR16
3. 估算光系统、热系统及电气系统的效率................... 4
灯泡的设计。该设计的目标是开发一款满足能源之星要求的替
4. 计算所需的 LED 数量....................................... 9
换型 20W MR16 灯。在本参考设计中,我们使用了模拟和原
5. 考虑所有设计方案......................................... 10
型制作的方法,为传统的 20W MR16 卤素灯泡制作了替换产
6. 完成最后步骤:实现和分析.............................. 10
品。本设计是基于 Cree 使用 XLamp MT-G 和 XM-L EZW
结论.................................................................. 15
LED 的原型 MR16 替换灯参考设计 ,它提供了另外一种方
1
WWW.CREE.COM/XLAMP
案,来制作性能优于现有 MR16 卤素灯泡的 MR16 LED 灯。
1
Cree XLamp MT-G MR16 参考设计,应用说明 AP62
http://www.cree.com/products/pdf/XLampMTG_MR16_Ref.pdf
Cree XLamp XM-L EZW MR16 参考设计,应用说明 AP71
http://www.cree.com/products/pdf/XLampXML_MR16_ref.pdf
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CREE XLAMP XP-E MR16
设计方法/目标
在 “LED 灯具设计指南”2,Cree 提出了一个由六个步骤组成的框架,可依照它来制作 LED 灯具。所有 Cree 参考设计都采用这个框架,
并在下面的表格中对设计指南的内容作一简要回顾。
步骤
解释
1. 确定照明要求
• 设计目标可以现有的灯具或应用的照明要求为基础确定。
2. 确定设计目标
• 根据应用的照明要求明确设计目标。
• 明确其它任何会对设计造成影响的目标,比如特殊光学或环境要求。
3. 估算光系统、热系统及电气系
统的效率
• 设计目标将对光系统、热系统和电气系统设定限制。
• 可以依照这些限制条件对每个系统的效率作正确的估算。
• 将照明目标和系统效率相结合可推算出灯具中所需的 LED 数量。
4. 计算所需的 LED 数量
• 根据设计目标和估算的损耗,设计人员能计算出满足设计目标所需的 LED 数量。
5. 考虑所有设计方案并从中选出
最佳的一个
• 采用任何设计,都有许多方法可实现目标。
• LED 照明是一个新的领域,适合常规照明光源的假设可能并不适用。
6. 完成最后步骤
•
•
•
•
•
完成电路板布局。
制作原型灯具对不同设计选择进行试验。
确保设计达到所有设计目标。
使用原型灯具进一步改进灯具设计。
记录观察结果和改进想法。
表 1:六步骤框架
六步骤法
本项目的主要目标是制作一款基于 XLamp XP-E LED 的 20W 等效 MR16 灯。它的目标是成为任何 MR16 灯具的即插即用型替换
产品,并可采用现有的低压电源工作。
1. 确定照明要求
表 2 所示为 MR16 参考设计中需要考虑的特征,并按重要性顺序排列。
重要性
特征
单位
关键
光强
中心光强 (CBCP) 烛光 (cd)
标称光束角
角度 (°)
电功率
瓦 (W)
光通量
流明 (lm)
外形尺寸
重要
价格
$
寿命
小时
工作温度
˚C
工作湿度
% RH (相对湿度)
相关色温 (CCT)
K
显色指数 (CRI)
100 点尺度
可制造性
安装容易度
表 2:分级排列的 MR16 替换灯设计准则
2“LED 灯具设计指南” ,应用说明 AP15,www.cree.com/products/pdf/LED_Luminaire_Design_Guide.pdf
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2
CREE XLAMP XP-E MR16
作为比较,几款 MR16 卤素灯的光度测试提供了基本的基准数据。3
灯具功率 (W)
光通量 (lm)
中心光强
(cd)
光效 (Lm/W)
光束角 (°)
色温 (K)
MR16 A
20
2802
420
13.6
36
2900
MR16 B
20
254
455
12
30
2780
MR16 C
20
260
950
12.6
22
2780
光源
表 3:MR16 卤素灯比较数据
下表摘要讲述了能源之星对所有整体式 LED 灯的要求。4
特征
要求
色温 (CCT)
灯必须具有以下指定的相关色温的一种 (根据 ANSI/NEMA/ANSLG C78.377-2008) ,且范围落在 7 阶色度四边形内,色空间
均匀度 (Duv) 公差见下面所列。
标称
目标色温 (K)
目标色空间均匀度
色温 (K)
及公差
及公差
2700
2725 + 145
0.000 + 0.006
3000
3045 + 175
0.000 + 0.006
3500
3465 + 245
0.000 + 0.006
4000
3985 + 275
0.001 + 0.006
颜色维持
最小流明维持测试周期 (6,000 小时) 内的色度变化应在 CIE 1976 (u’,v’) 色度图上的 0.007 之内。
显色指数 (CRI)
最小 CRI (Ra) 为 80。R9 值必须大于 0。
调光
灯可以是可调光或不可调光。产品包装上必须清晰标明灯是否可调。制造商认可的可调光产品必须提供一个网页,以发布有关调
光器兼容性的信息。
担保
3 年担保
允许灯头
必须是 ANSI 列出的灯头。
功率因数 (PF)
功率 < 5 W 的灯及低压灯:无最小功率因数要求
功率 > 5 W 的灯:PF > 0.70
最低工作温度
-20°C 或以下
LED 工作频率
≥ 120 Hz
注:该性能特征针对由于低频率工作而导致的可见频闪问题,适用于稳定状态以及调光工作。
调光工作应满足所有光输出级别的要求。
电磁和无线电频率 (射频) 干扰
必须满足相应的 FCC 消费者使用要求 (FCC 47 CFR 第 15 部分)。
可听见的噪音
A 级声音等级
瞬时电流保护
电源应符合 IEEE C62.41.41-1991,A 类操作。对于共模和差模,线路瞬时电流应由七个 100 kHz,2.5 kV 电平的振铃波冲
击组成。
工作电压
灯应该在额定标称电压 120、240 或 277 VAC,或者 12 或 24 VAC 或 VDC 下工作。
表 4:能源之星整体式 LED 灯要求
3
在位于加州圣巴巴拉的 Cree 设施中的一个积分球内测得
4
能源之星整体式灯计划要求,资格标准,版本 1.2,表 4
http://www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/program_reqs/ILL_prog_reqs.pdf
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3
CREE XLAMP XP-E MR16
下表摘要讲述了能源之星 MR16 灯要求。5
特征
要求
定义
定向灯表示该灯至少 80% 的光输出在 ∏ sr 立体角内 (相当于 120° 角的圆锥)
最低光效
灯直径 ≤ 20/8 英寸:40 lm/W
灯直径 < 20/8 英寸:45 lm/W
色空间均匀度
光束角内色度变化应在 CIE 1976 (u’,v’) 色度图的 0.006 之内。
最大灯直径
不超过目标灯直径 (根据 ANSI C78.21-2003)。
最大总体长度 (MOL)
不超过目标灯的最大总长 (根据 ANSI C78.21-2003)。
最小中心光强
473 cd – 根据能源之星® 整体式 LED 灯中心光强计算工具 (7/6/2010 版) 确定
流明维持率
L70 > 25,000 小时
快速循环应力测试
循环时间必须为 2 分钟开,2 分钟关。每两小时所要求的最短 L70 寿命要循环一次。
表 5:能源之星 MR16 灯要求
2. 确定设计目标
通过以上信息得出的本项目设计目标如下:
特征
单位
光输出
Lm
照度特性
功率
光束角
中心光强 (CBCP)
灯具光效
寿命
色温 (CCT)
预定目标
210
> 210
相同
W
<< 10
3.5
˚
36
36
Cd
473
> 473
lm/W
> 50
60
小时
50,000
50,000
K
3000
3000
> 80
80
30
40
显色指数 (CRI)
最高环境温度
最低目标
˚C
表 6:设计目标
3. 估算光系统、热系统及电气系统的效率
元件效率
考虑到效率、稳定性、成本、二次光学器件的供货情况、显色指数和 LM-80 可用性,来自 XP 系列的两款 LED 成为了候选:图 2 中用
黄色突出显示的 XLamp XP-E 和 XP-G。XP-E 因其成本较低而略占优势。
5Ibid, 表 7C
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4
CREE XLAMP XP-E MR16
图 2:分档比较 (左:XP-E,右:XP-G)
在本参考设计中,Cree 选用了 XPEWHT-H1-0000-00AE7,如图 3 中黄色突出显示。
图 3:XP-E 颜色、分档和订购代码
XLamp XP-E LED 已经完成了 LM-80 测试,符合能源之星要求。XP-E 已投入批量生产两年以上,并已成为许多 LED 灯具的主力产品。
它是 MR16 替代灯的可靠选择。
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5
CREE XLAMP XP-E MR16
散热要求
尽管 XLamp XP-E LED 在光效方面比传统的白炽灯和荧光灯有优势,但高达 80% 的输入功率被转换成了热量。需要将这些热量高效地
散发出去,以确保 LED 和灯具的流明维持性和可靠性。对于 4 W MR16 灯具,市场上有许多现成的散热解决方案可供选择。在本参考
设计中,Cree 选择了一款现有的工艺优良,设计出色的加工铝制散热器。我们的模拟和实测结果都证实这是本项目很好的选择。
图 4:加工铝制散热器
Cree 用 3 个 XP-E LED 分别在 350mA 和 700mA 下运行对设计执行了热模拟6 ,发现估计的焊点温度为 53˚C。图 5 显示了焊点温
度的热模拟。图 6 为气流的热模拟,采用 XP-E MR16 灯周围对流的形式。
图 5:XP-E MR16 温度热模拟
图 6:XP-E MR16 周围气流热模拟
图 7 显示装在 XP-E MR16 灯上的热电偶,以记录焊点温度。图 8 显示正在进行中的测量以及温度读数。稳态 60˚C 的测量值合理并
与热模拟一致。
6Cree 使用了 NIKA EFD Pro V8.2 与 Pro E Wildfire
http://www.mentor.com/products/mechanical/products/floefd/
http://www.ptc.com/products/creo-elements-pro/
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6
CREE XLAMP XP-E MR16
图 7:装到 XP-E LED 的热电偶
图 8:XP-E MR16 焊点温度测量
基于 Cree 在 XLamp XP-E LED 方面的经验以及图 9 中所示的 L70 使用寿命预测,我们预期此设计既可达到能源之星的 L70 25,000
小时寿命等级,又能达到 L70 50,000 小时寿命等级的目标。
图 9:XP-E L70 寿命估计
驱动电子元器件
考虑到传统 MR 16 灯的电源要求以及改型的便利性,我们选用了一款带 12 VDC 和 12 VAC 电源输入的 GU5.3 双引脚连接器。LED
以串联方式连接,以获得更高的总正向电压 (Vf),提高驱动器效率,提供 LED 所需的恒定驱动电流,从而实现一致的光输出。
为了应对将高效率驱动器装配到 MR16 灯头紧凑空间的挑战,我们使用了一款电路设计简单的不可调光驱动器7 ,如图 10 中所示。
7
来自 Shen Zhen IPOWER Electronic Technology Co., Ltd. 的驱动器
http://www.ipower-tek.com/en/products_01.asp?Cid=55
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7
CREE XLAMP XP-E MR16
图 10:XP-E MR16 驱动器电路设计
图 11 显示了 XP-E MR16 驱动器和 GU5.3 连接器。
图 11:XPE-MR16 驱动器和 GU5.3 连接器
二次光学器件
Cree 的 XLamp XP-E LED 自 2009 年开始投入批量生产,市场上有许多成
熟的光学器件设计可供选择。考虑到效率、光束角、尺寸和可重复性,Cree
TIR
为本应用选用了全内反射 (TIR) 光学器件。
图 12:TIR 光学器件实例
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8
CREE XLAMP XP-E MR16
设计良好的 TIR 光学器件可提供较高的光学效率、较窄的光束角和良好的
色彩混合。如图 13 中所示,某些设计在透镜表面针对色彩混合使用表面
纹理或 “微型枕” ,以便提高光束的色彩均匀度。
图 13:“微型枕”TIR 光学器件示例
Cree Proprietary — CONFIDENTIAL
图 14 显示了 XP-E MR16 所用的二次光学器件。
图 14:XP-E MR16 的二次 TIR 光学器件
4. 计算所需的 LED 数量
XLamp XP-E LED 根据色温、分档和驱动条件提供各种光效。根据 Cree 产品参数工具 (PCT)8 的电气数据和光学输出,我们选用了位
于色温 3000K 的 Q2 通量分档,以提供与卤素灯泡接近的色点,如下面图 15 中黄色突出显示。PCT 数据表明,包含 3 只 XP-E LED
的 MR16 灯能够满足设计目标。
8
分析来自 Cree 的产品参数工具。http://pct.cree.com/
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9
CREE XLAMP XP-E MR16
Compare:
System:
SYS # LED
11 SYS lm tot 13 SYS W
Target Lumens :
Current Display Range:
12 SYS lm/W 15
Optical Efficiency:
210
LED 1
Model
Q2 [87.4]
5
SYS # LED SYS lm tot
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
0.450
0.500
0.550
0.600
0.650
0.700
0.750
0.800
0.850
0.900
0.950
1.000
1.100
1.200
1.300
10
233
7
236.6
5
218.5
4
213.2
4
250
3
213.9
3
239.1
3
263.1
3
285.6
3
307.2
2
218.6
2
231.4
2
243.6
2
254.8
2
265.6
2
275.6
2
284.8
2
293.2
2
301.2
#N/A
#N/A
15:Cree
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
Price
$
-
87.4
Tsp (ºC)
2.0
LED Multiple
图
3
94%
LED 2
Model
Cree XLamp
20XP-E {CW/NW/WW}
Current (A)
Flux
Medium (0.1A - 2.0A)
Electrical Efficiency:
90%
SYS W
55
x1
Flux
Q2 [87.4]
Price
$
1
SYS lm/W
LED 3
3
-
Tsp (ºC)
2.0
SYS # LED SYS lm tot
SYS W
215
2.87
225.4
3.05
213
2.98
210.8
3.02
250.4
3.66
216.6
3.26
244.5
3.77
271.8
4.28
298.5
4.82
216.2
3.55
233
3.94
249.2
4.3
265
4.66
280
5.04
294.8
5.4
308.8
5.81
322.8
6.19
335.8
6.57
348.6
6.96
372.8
7.74
XLamp
XP
395
8.51
415.2
9.3
Price
55
x1
1
(none)
Flux
87.4
LED Multiple
3.09
75.4
10
3.28
72.1
7
3.14
69.6
5
3.19
66.8
4
3.87
64.6
4
3.41
62.7
3
3.96
60.4
3
4.5
58.5
3
5.04
56.7
3
5.59
55
2
4.09
53.4
2
4.45
52
2
4.83
50.4
2
5.19
49.1
2
5.55
47.9
2
5.91
46.6
2
6.28
45.4
2
6.64
44.2
2
6.98
43.2
2
#N/A
#N/A
2
产品参数工具,其中显示
#N/A
#N/A
2
#N/A
#N/A
2
Model
Cree XLamp
22XP-G {CW/NW/WW}
1
$
1
LED Multiple
SYS lm/W
74.9
73.9
71.5
69.8
68.4
66.4
64.9
63.5
61.9
60.9
59.1
58
56.9
55.6
54.6
53.1
52.1
51.1
50.1
48.2
数据
46.4
44.6
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
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#N/A
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#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
5. 考虑所有设计方案
由于市场上可用的基于 LED 的 MR16 设计和部件数量繁多,我们的团队尝试了大量的散热器、光学器件和驱动器解决方案组合,最终选
择了 Shenzhen Zhongke Lianhe Super-Conduction Technology Co. 的一款 MR16 套件。该套件包含一个光学器件、一块金属核
心印刷电路板 (MCPCB)、一个散热器和一个 GU5.3 插头。
6. 完成最后步骤:实现和分析
通过上面的方法,我们确定了合适的 XLamp XP-E LED、组件和驱动条件组合。本节举例说明了 Cree 基于该设计所用的 MR16 替换灯
制作技术,并将结果与我们的目标相比较,以制作一款 20 W XP-E MR16 替换灯。
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10
CREE XLAMP XP-E MR16
原型制作详情
1. 我们核实了组件的尺寸,以确保能正确装配。
图 16:XP-E MR16 组件
2. 按照 XLamp XP 系列的建议 ,我们利用合适的焊膏和回流温度曲线,将 XP-E LED 回流焊到 MCPCB,并用异丙醇清洁焊剂残留 物。
9
3. 将一薄层散热膏涂到 MCPCB 的背面,并用螺丝将 MCPCB 固定到散热器上。
4. 将驱动器插入到 GU5.3 插头端,并将 DC 输出线焊接到 MCPCB 上对应的端子。
5. 将 GU5.3 插头端连接到散热器,并用螺丝固定。确认 MCPCB 和插头端牢固。
6. 插入 TIR 光学器件,确保与 LED 正确对齐。根据 TIR 光学器件类型及其设计,可以使用各种固定方法,包括自锁、附加锁环或
粘合剂。
7. 用 12 VDC 测试了组装完成后的组件。
结果
光学结果
XLamp XP-E MR16 的光学测试表明此参考设计符合目标规范。本参考设计的色彩和亮度分布轮廓图10 如图 17 和图 18 所示。它们证明,
TIR 光学器件能将 3 个 XP-E LED 发射的光均匀分布,产生柔和的光,不存在热点情况。
9
“Cree XLamp XP 系列焊接和处理”
http://www.cree.com/products/pdf/XLampXP_SolderingandHandling.pdf
10 图取自 Radiant Imaging 的成像光度计。
http://www.radiantimaging.com
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CREE XLAMP XP-E MR16
图 17:CCT 色彩分布轮廓图 (椭圆形是热像仪离轴放置的结果)
图 18:亮度分布的轮廓图 (椭圆形是离轴摄像头放置的结果)
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CREE XLAMP XP-E MR16
如图 19 和图 20 所示,XLamp XP-E MR16 灯的远场分布图要优于两个 MR16 卤素灯泡。
图 19:20W 等效 XP-E MR16 的测角光强极坐标图比较
图 20:测得的 20W 等效 XP-E MR16 发光强度比较
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CREE XLAMP XP-E MR16
图 21 显示了 XLamp XP-E MR16 灯在离光源不同距离处的的照度。光束角为 35 度。
高度
照度
直径
1m
3.2 ft
47.3 fc
508.6 lx
63.1 cm
2.1 ft
2m
6.6 ft
11.8 fc
127.2 lx
126.1 cm
4.1 ft
3m
9.8 ft
5.2 fc
56.5 lx
189.2 cm
6.2 ft
4.m
13.1 ft
3.0 fc
31.8 lx
252.2 cm
8.3 ft
5m
16.4 ft
1.9 fc
20.4 lx
315.3 cm
10.3 ft
6m
19.7 ft
1.3 fc
14.1 lx
378.4 cm
12.4 ft
7m
23.0 ft
.9 fc
10.3 lx
441.4 cm
14.5 ft
8m
26.2 ft
.7 fc
8.0 lx
504.5 cm
16.6 ft
9m
29.5 ft
.6 fc
6.3 lx
567.5 cm
18.6 ft
10 m
32.8 ft
.5 fc
5.1 lx
630.6 cm
20.7 ft
图 21:XP-E MR16 照度
表 7 为结果汇总,表明 XP-E MR16 灯一般能满足设计目标,且性能优于对照的卤素灯。
特征
单位
结果
预定目标
光输出 (10 分钟准时)
lm
209
> 210
功率
W
3.6
3.5
度 (°)
36
36
Cd
508
> 473
光效
lm/W
58
60
寿命
小时
50,000
50,000
K
3000
3000
> 80
80
30
40
光束角
中心光强 (CBCP)
色温 (CCT)
显色指数 (CRI)
最高环境温度
˚C
表 7:XLamp XP-E MR16 测试结果
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CREE XLAMP XP-E MR16
结论
本设计旨在证明 Cree 的高功率 XLamp XP-E LED 可以方便地整合到 MR16 替代灯中,并满足能源之星要求。对原型灯的测试表明此
目标已实现。尽管本设计具有 “即插即用” 的性质,不过拥有合适资源的专门设计团队仍可对其进行许多改进,例如采用更简单、更便宜
的散热器和可调光电源。本设计显示了 Cree Xlamp XP-E LED 可达到的性能水平,但不应理解为这是设计一款性能良好的 XP-E LED
MR16 灯的唯一方法。
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