A19 参考概述

应用说明
CLD-AP72 REV 0
The 3 snow cones
Cree® XLamp® A19 参考概述
目录
简介
简介.................................................................... 1
去年,LED 行业开始大量生产白光高功率 LED,使这类具有性
A19 照明要求........................................................ 2
价比的灯泡如今真正成为实用的消费品。在北美,许多零售商现
设计目标............................................................... 6
在都将 LED 灯泡作为它们照明产品库存的一部分。
估计效率............................................................... 7
实现和分析...........................................................10
大多数 LED 替换灯或 LED 灯泡给处理热平衡带来了重大的设
结论...................................................................12
计问题。这些问题对于气体放电灯和白炽灯并不那么严重,因为
这些灯存在内在的对流热传递并在发光的同时将热量一并散发出
去。LED
的热负荷需要通过传导来散发出去,因此必须有一个
WWW. CREE.COM/XLAMP
单独的路径和散热器来散热。这就是替换灯存在的设计局限性。
其他商标、产品和公司名称是其各自所有者的财产,不指代任何特定的产品和/或任何形式的厂家支持、资助或联合。
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XLamp
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XLAMP A19 参考设计
人们将大量的注意力和精力集中在 E26/A19 的外形尺寸上,有许多方法来解决传统 A19 灯泡的设计和生产问题。本应用说明评述了
Cree 提供的各种 LED 选择,以实现具有吸引力和成本效益的暖白 A19 灯泡或替换灯。本应用说明与其他 Cree 应用说明不同,它只是
评述一组设计选择,而非关注某个具体的方案实施。
尽管大多数 Cree 参考设计或应用说明使用了 “LED 灯具设计指南”1 中所述的 6 步骤框架,但本应用说明主要是关于在设计 A19 LED
替换灯时可用的许多 LED 选项和拓扑。因此我们只会谈到该框架中的部分步骤。
A19 照明要求
A19 LED 替换灯最常见的形式通常称为 “甜筒” 。该绰号源自盖在圆锥形散热器顶部的 LED 电路板上的半球形圆顶,看上去就像冰淇淋
甜筒。此方法的优点是供应商相对较多,能提供外形尺寸合适的散热器、设备驱动器和模压成型柔光罩。这样,该样式的 A19 灯泡很快
就成为占据主导地位的高性价比灯泡。对于许多照明应用, “甜筒” 型灯泡的半球形光通量分布已经足够 – 这是一种非常广角的泛光灯。
但是,对于要求光通量呈球形或全向分布的应用, “甜筒” 型灯泡则不是最优的选择。2
为实现全向通量分布,必须使用其他通量几何设计。这些设计中,值得注意或创新的例子包括来自 GE、Philips 和 LSG 的灯泡,如下所示。
1“LED 灯具设计指南”,应用说明 AP15,www.cree.com/products/pdf/LED_Luminaire_Design_Guide.pdf。该指南提出了 6 步骤方法,
包括:
1.
确定照明要求
2.
确定设计目标
3.
估算光系统、热系统及电气系统的效率
4.
计算所需的 LED 数量
5.
考虑所有设计方案并从中选出最佳的一个
6.
完成最后步骤
2
美国环境保护署在 “能源之星®整体式 LED 灯计划要求” 中,定义了全向要求,http://www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/
program_reqs/ILL_prog_reqs.pdf。表 4,p3,适用于所有灯;表 6,p9,适用于 “非标准” 灯- “甜筒” 型灯泡归入此类,表 7A,p10,适用于全向灯。
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2
XLAMP A19 参考设计
图 1:来自 GE、LSG 和 Phillips 的全向灯泡3
下表摘要讲述了要符合能源之星®计划所需满足的要求。
特征
要求
灯必须具有以下指定的相关色温中的一种(根据 ANSI/NEMA/ANSLG C78.377-2008),且范围落在
7 阶色度四边形内。
色温 (CCT)
2700 K
3000 K
3500 K
4000 K
颜色维持
在灯具最开始 6000 小时工作时间内,色度变化应在 CIE 1976 (u’,v’) 色度图的 0.007 以内。
显色指数 (CRI)
最小 CRI (Ra) 为 80。R9 值必须大于 0。
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
调光
一个网页,以发布有关调光器兼容性的信息。
担保
对于带有可替换驱动器的灯具是 3 年担保期。
允许灯头
必须是 ANSI 列出的灯头。
功率因数 (PF)
最低工作温度
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 > 0.7
-20°C 或以下
LED 工作频率
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
3
插图显示了 GE Energy Smart LED 灯泡、40W 等效 LSG Definity A19 灯泡和 Phillips Endura 灯泡。
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3
XLAMP A19 参考设计
特征
瞬时电流保护
工作电压
要求
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。
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 1:能源之星整体式 LED 灯要求
此表摘要讲述了能源之星非标准 LED 灯要求。
特征
最低光效
要求
LED 灯功率< 10 W:50 lm/W
LED 灯功率 > 10 W:55 lm/W
最小光输出
200 流明
光强分布
无特定分布要求。必须提交测角光度计报告,示明灯产生的光强分布。
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 2:能源之星非标准 LED 灯要求
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XLAMP A19 参考设计
下表摘要讲述了能源之星全向灯要求。
特征
最低光效
要求
LED 灯功率< 10 W:50 lm/W
LED 灯功率 > 10 W:55 lm/W
200 流明
要替换的灯的标称功率 (瓦)
最小光输出
LED 灯的最小初始光输出 (流明)
25
200
35
325
40
450
60
800
75
1100
100
1600
125
2000
150
2600
产品在 0° 到 135° 区域内应具有均匀的发光强度 (光强) 分布 (纵轴对称)。
光强分布
此区域内任何角度的发光强度,与整个 0° 到 135° 区域的平均发光强度之间的差异应不超过 20%。
至少有 5% 的总通量 (流明) 必须在 135°-180° 区域中出射。
分布应垂直对称,如 0°、45° 和 90° 处三个垂直平面中所测。
最大灯直径
不超过目标灯直径 (根据 ANSI C78.20-2003)。
最大总体长度 (MOL)
不超过目标灯的最大总长 (根据 ANSI C78.20-2003)。
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。
色角度均匀度
色度变化应在 CIE 1976 (u’,v’) 色度图的 0.004 以内。
表 3:能源之星全向灯要求
如表 3 和 4 中所示,对非标准灯和全向灯的系统性能要求基本相同。后者具有确定的发光强度分布和最小光输出,这使得其更方便与所
要替换的白炽灯相比较。
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5
XLAMP A19 参考设计
设计目标
为熟悉快速发展的 LED 替换灯的产品空间,Cree 的应用工程师们已经制作了至少十几种不同的 A19 灯原型。我们的团队利用很多种不同
的 Xlamp LED、驱动器和外壳进行了试验。我们将其中一些实例开发成了模型,因为这些实例出于各种原因,是最具成本效益的。例如:
限制条件
使驱动器效率最高
将灯泡 BOM 中的 LED 数量减至最少
将生产和库存成本降至最低
解决方案
XLamp MX-6S
理由
高压 LED 串联式排列,提高驱动器实施的效率
The 3 snow cones
XLamp XP-E HEW
极高的单位流明成本比,针对漫射照明应用优化
XLamp CXA-2011
降低制造复杂性;简化库存
表 4:A19 设计目标和 LED 解决方案
我们将分别探讨这些设计的各个方面。
图 2:使用各种 Cree XLamp LED 制作的 A19 灯泡
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6
XLAMP A19 参考设计
下表总结了我们在本应用说明中讨论的几种灯泡设计的特征和目标。所有这些设计都使用半球形分布,在能源之星术语中被视作非标准
LED 灯。
特征
单位
40-W 等效
“值” 灯泡
60-W 等效
性能灯泡
灯具光输出
Lm
450
800
功率
W
<10
<13
光效
Lm/W
>50
寿命
小时
色温 (CCT)
65
25,000
°K
3,000
3,000
80
80
显色指数 (CRI)
表 5:A19 系统总体目标
估算光系统、热系统及电气系统的效率
本节使用 Cree 产品参数工具 (简称 PCT) 对各种 LED 配置进行估算和讨论。4 PCT 这款工具用于对基本
LED 和系统性能进行建模,以拟定初步的系统设计方法。
我们在本文评述的所有情况中,均假定 LED 灯泡的漫射结构存在 15% 的损失。这是铸塑漫反射圆顶
的典型损失。
对于 40-W 等效 LED 灯泡,我们设置了 PCT,对三款 LED 的系统估算信息进行比较,即 XLamp MX6S、MX-6 和 XP-E HEW。PCT 的设置是要提供 450 流明光输出,同时光学系统效率 85%,驱动器系
XLamp MX-6 LED
统效率 87%。我们还假定使用了一款可使系统的焊点温度保持在 55° 的散热器。
我们已将 PCT 显示内容配置为关注系统范围的信息,查看所需 LED 的数量、提供的流明输出、系统功
率和光效。
XLamp XP-E HEW LED
4http://pct.cree.com
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7
Figure 3
Compare:
System:
SYS # LED
SYS W
11 SYS lm tot13
12
SYS lm/W
450
Target Lumens :
Current (A)
0.100
0.110
0.120
0.130
0.140
0.150
0.160
0.170
…
0.300
0.350
0.400
0.450
0.500
0.550
0.600
0.650
0.700
Flux
85%
Optical Efficiency:
Price
$
-
SYS # LEDSYS lm tot
4
4
4
4
4
3
3
3
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
466
500
532.8
563.2
591.2
463.2
481.8
498.6
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
Flux
100.0
Tsp (ºC) 2.0
LED Multiple
SYS W
9.61
10.76
11.91
13.06
14.25
11.55
12.45
13.31
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
Electrical Efficiency:
(0.1A - 0.7A)
2
87%
LED 2
Model
15MX-6S {CW/WW}
Cree XLamp
Q4 [100] 3
Fine
Current Display Range:
15
LED 1
Model
XLAMP A19 参考设计
Price
55
Q3 [93.9] 6
$
1
x1
LED 3
Model
14 MX-6 {CW/WW}
Cree XLamp
-
Tsp (ºC) 2.0
LED Multiple
SYS lm/W
SYS # LEDSYS lm tot
48.5
46.5
44.7
43.1
41.5
40.1
38.7
37.5
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
#N/A
17
16
15
14
13
12
11
11
#N/A
7
6
5
5
5
4
4
4
4
450.5
464
471
473.2
470.6
463.2
451
477.4
#N/A
506.8
497.4
464
512
557.5
481.2
514.4
546
575.6
Flux
93.9
SYS W
5.47
5.7
5.86
5.95
6.13
6.07
5.94
6.32
#N/A
7.64
7.86
7.7
8.79
10
8.97
9.93
10.94
11.95
Price
55
x1
Cree XLamp
21 XP-E HEW {CW/NW/WW}
R2 [114]
$
1
7
-
114.0
Tsp (ºC) 2.0
LED Multiple
SYS lm/W
SYS # LEDSYS lm tot
82.4
81.4
80.4
79.5
76.8
76.3
75.9
75.5
#N/A
66.3
63.3
60.3
58.2
55.8
53.6
51.8
49.9
48.2
17
15
14
13
12
11
11
10
#N/A
6
6
5
5
4
4
4
4
3
477.7
460.5
466.2
466.7
460.8
451
478.5
461
#N/A
464.4
532.2
498
551
481.6
520.8
558.8
594.8
472.2
SYS W
5.28
5.17
5.31
5.23
5.24
5.18
5.56
5.4
#N/A
5.93
6.97
6.72
7.64
6.85
7.63
8.37
9.1
7.41
55
x1
1
SYS lm/W
90.5
89.1
87.8
89.2
87.9
87.1
86.1
85.4
#N/A
78.3
76.4
74.1
72.1
70.3
68.3
66.8
65.4
63.7
图 3:产品参数工具对 450 流明 A19 灯泡的分析
此分析向我们显示了许多实现 40W 等效值灯泡的方法。在考虑 LED 的驱动电流和数量时,一方面四只 MX-6S LED 可提供 85-V、
100-mA 的负荷,功耗略低于 10 瓦,提供略低于 50-lm/W 的光效。六只 MX-6 LED 在功率不超过 8 瓦时以 350 mA 电流驱动,
可提供超过 63 lm/W 的光效。四只位于 R2 通量分档的 XP-E HEW LED 能使用 6.9 W 功率提供 70 lm/W 以上的光效,通量相当而
光效更高。
使用 MX-6S LED 的情况特别有意思,在图 3 中并没有很好地体现,因为高压 LED 具有允许使用更高效率的设备驱动器的潜力。
在《LEDs Magazine》2011 年 4 月刊的一篇文章中,National Semiconductor 的 Matt Reynolds 通过简单而精妙的分析表明,
使用高压 LED 允许以较低的工作温度来支持驱动器电子元器件 – 电容、电感和二极管。5 他的分析暗示驱动器有提高可靠性(例如,
通过降低电容工作温度)和效率的潜力。在我们的 PCT 分析中,驱动器电子元器件效率从 87% 提高至 93%,增加 6%,带来了几乎
7% 的光效提高。
5
Reynolds, Matthew丆“High LED Drive Currents with Low Stack Voltages Creat Efficiency Challenges”(高 LED 驱动电流与低堆栈
电压产生效率挑战,《LEDs Magazine》2011 年 4 月,pp 53-59丅
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8
XLAMP A19 参考设计
Figure 4
Compare:
System:
SYS # LED
SYS W
11 SYS lm tot13
12
SYS lm/W
450
Target Lumens :
85%
Optical Efficiency:
LED 1
Current (A)
Model
0.100
0.110
0.120
0.130
0.140
0.150
0.160
0.170
0.180
0.190
0.200
Flux
Price
$
-
SYS # LEDSYS lm tot
4
4
4
4
4
3
3
3
#N/A
#N/A
#N/A
466
500
532.8
563.2
591.2
463.2
481.8
498.6
#N/A
#N/A
#N/A
100.0
Flux
55
Price
Tsp (ºC) 2.0
LED Multiple
SYS W
8.99
10.06
11.14
12.22
13.33
10.81
11.65
12.45
#N/A
#N/A
#N/A
Electrical Efficiency:
(0.1A - 0.7A)
2
93%
LED 2
Model
15MX-6S {CW/WW}
Cree XLamp
Q4 [100] 3
Fine
Current Display Range:
15
x1
LED 3
Model
1
(none)
1
$
1
-
0.0
Tj (ºC) 1.0
LED Multiple
Flux
Price
25
x1
1
(none)
1
$
1
-
0.0
Tj (ºC) 1.0
LED Multiple
25
x1
1
SYS lm/W
51.8
49.7
47.8
46.1
44.4
42.8
41.4
40
#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
#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
#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
#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
图 4:MX-6S LED 改善的驱动器性能
对于更亮的 60W 等效 LED 灯,选择发生了变化。通过使用大量的 LED 可实现非常高的光效,但花大
量金钱在
LED
上是不切实际的,且灯泡的空间限制也不允许这样做。实际上,通过额外增加几个部件
可以实现
800
流明的目标,不过系统中的热负荷也会增加。对于这一部分试验,我们假定结温提高到
85° C。适合此灯泡的两种具有成本效益的 LED 为 XP-E HEW 和 CXA2011。再次配置 PCT 以示明
LED 数量、系统流明输出、系统功率和光效。
XLamp XP-E HEW LED
XLamp CXA2011 LED
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9
Figure 5
XLAMP A19 参考设计
Compare:
SYS # LED
SYS W
11 SYS lm tot13
System:
12
SYS lm/W
800
Target Lumens :
85%
Optical Efficiency:
LED 1
Current (A)
Model
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
Flux
Price
$
-
SYS # LEDSYS lm tot
31
21
17
14
12
10
9
9
8
7
7
7
6
6
6
6
5
5
5
821.5
804.3
844.9
848.4
853.2
810
814.5
895.5
864.8
813.4
867.3
918.4
828
866.4
903
936
806
829.5
851.5
114.0
Flux
85
Price
Tsp (ºC) 2.0
LED Multiple
SYS W
9.98
10.14
11.14
11.75
12.14
11.95
12.41
14.07
14.07
13.6
14.97
16.33
15.17
16.28
17.45
18.55
16.44
17.36
18.33
3
Electrical Efficiency:
87%
LED 2
Model
20XP-E {CW/NW/WW}
Cree XLamp
R2 [114] 9
Medium (0.1A - 2.0A)
Current Display Range:
15
J [1040]
$
4
-
1
x1
LED 3
Model
Cree XLamp3 CXA2011 {EZW}
SYS # LEDSYS lm tot
82.3
79.3
75.8
72.2
70.3
67.8
65.6
63.6
61.5
59.8
57.9
56.2
54.6
53.2
51.7
50.5
49
47.8
46.5
3
2
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1005.6
1001.4
1321
814.5
962.7
1105.2
1242
1373.2
1498.8
1618.9
1733
1842
1945.1
2043.2
2135.5
2222.8
2304.4
2381.1
2452
Flux
85
Price
Tsp (ºC) 2.0
LED Multiple
SYS lm/W
1040.0
SYS W
12.86
13.1
17.77
11.28
13.72
16.22
18.76
21.32
23.93
26.56
29.21
31.86
34.53
37.2
39.85
42.51
45.13
47.72
50.29
x1
1
(none)
1
$
1
-
0.0
Tj (ºC) 1.0
LED Multiple
25
x1
1
SYS lm/W
78.2
76.4
74.3
72.2
70.2
68.1
66.2
64.4
62.6
61
59.3
57.8
56.3
54.9
53.6
52.3
51.1
49.9
48.8
#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
#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
#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
图 5:60 W 等效非定向 LED 灯的 LED 配置
由于要在这些空间受限和更高温度的环境中运行,所以需要十只 R2 通量分档的 XP-E HEW LED,在 350 mA 驱动电流,12 瓦功率下
提供 810 流明输出,光效大约为 68 lm/W。而位于 J 通量分档的单只 CXA2011,在 250 mA 电流下可提供更好的性能:814 流明输
出、11.3 瓦功率和超过 72 lm/W 的光效。
实现和分析
对 Cree LED A19 灯泡最全面彻底的分析来自于与 Marvell Semiconductor (www.marvell.com) 的协作。40 瓦等效 LED 替换灯
使用四只 Cree XP-E HEW LED 和 Marvell 的 88EM8081 PFC 控制器。系统在 3000° K 色温下提供 475 流明输出,功耗 7.5 瓦。
这种实现结果与图 3 中的 PCT 分析非常一致。
版权所有 ©2011 Cree, Inc. 保留所有权利。本文档中的信息若有更改,恕不另行通知。Cree、Cree 徽标和 Xlamp 是 Cree, Inc. 的注册商标。本文档所提供的信息仅供参考,不作为担保或者技术指标。
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10
Figure 6
XLAMP A19 参考设计
Figure 7
图 6:4 只 XP-E HEW LED 在 40-W 等效 A19 灯中
2011 年初,Cree 研制了一款基于 CXA20011 的 A19 灯泡。实际上,在分析市场上的部分 A19 替换灯时,我们发现了一款灯所带的
设备驱动器非常符合 CXA2011 的电压和电流要求,并作为用 CXA2011 替换 LED 阵列的初选方案。不过该初选方案的试验结果有点令
人失望。稳态时,灯泡产生 750 流明输出,功耗 12.8 瓦,系统光效为 58 Lm/W。尽管此性能水平符合能源之星的要求,但它与图 5
中显示的 PCT 分析并不太相符。我们相信,通过改善散热器组件以及使用更新的驱动电路,可以使性能得到显著提高。
图 7:使用 CXA2011 LED 的 A19 灯泡
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11
XLAMP A19 参考设计
结论
由于小尺寸和流明密度方面的原因,开发具有成本效益和设计精密的 LED 替换灯对 LED 系统设计的各个方面都提出了极大的挑战。
整个 LED 替换灯生态系统都在进行试验和创新。Cree 全力支持这一生态系统,我们致力于提供业界范围最广的 LED 产品组合,保持充
满活力的产品创新步伐,将最好的 LED 产品提供给替换灯制造商供他们选择。
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