E17 参考设计

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CLD-AP128 rev 0
应用说明
技术文章
®
Cree XLamp XT-E高压白光LED
E17参考设计
目录
前言
前言................................................................... 1
本参考设计详细介绍了采用Cree XLamp XT-E高压白光
设计方法/目标. . . . . ................................... . . . . 2
(HVW)LED的小尺寸烛台装饰灯。此类灯多用于小台灯、
六步骤法.. . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . 2
装饰灯和吊扇灯,在日本特别受欢迎。
www.cree.com/XLamp
1. 确定照明要求................................................. 3
2. 确定设计目标................................................. 5
使用XLamp XT-E HVW LED时,可以安装一个小型、高效的
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率.. ....... . . . . . 5
驱动电源,这在设计空间有限的灯具时尤为有用。除了针对非
4. 计算所需的LED数量......................................... 7
定向灯和小型LED替换灯进行优化之外,XT-E HVW LED还
5. 考虑所有设计方案并从中选出最佳方案................... 8
具有体型小巧的特点,其大小只有高压LED阵列的1/15乃至
6. 完成最后步骤................................................. 8
1/40,能够轻松集成到小尺寸灯内(如本文介绍的E17灯)。
结语... . . . . . . . . . . . . . . . ................................. . . . 10
XT-E HVW LED拥有世界一流的光效和非定向照明轮廓,是
材料清单.. . . . . . . . . . . . ................................. . . . 10
高光效改型灯的理想选择。
用户完全承担因依赖本应用说明中的任何信息所产生的风险。Cree及其附属公司不作出有关本文件中的信息或任何按照本参考设计制造的LED灯或灯具(包括但不限于不
侵犯Cree或第三方的知识产权的灯或灯具)的任何保证或声明,亦不承担任何相关法律责任。如果灯具制造商根据任何Cree应用说明或参考设计进行全部或部分的产品设
计,则该制造商必须全权负责确保其产品符合所有适用的法律和行业要求。
版权所有 © 2010 Cree, Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改,恕不另行通知。Cree、Cree徽标和Xlamp均为Cree,
Inc.的注册
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商标。
解产品规格,请参阅www.cree.com上提供的数据手册。如需了解保修信息,[email protected],联系Cree销售部。
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4600 Silicon Drive
Durham, NC 27703
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XLAMP XT-E HVW E17参考设计
设计方法/目标
在“LED灯具设计指南”应用说明中,Cree提出了一个用于制作LED灯具的六步骤框架。1所有Cree参考设计均采用该框架,下文表1中
则简要回顾了本设计指南的主要内容。
步骤
说明
1.
确定照明要求
•
设计目标可根据现有灯具或应用的照明要求确定。
2.
确定设计目标
•
根据应用的照明要求明确设计目标。
3.
•
明确会对设计造成影响的任何其他目标,如特殊光学或环境要求。
估算光学系统、热系统和电气系统
•
设计目标将对光学系统、热系统和电气系统设定限制。
的效率
•
可以依照这些限制条件对各个系统的效率进行正确的估算。
•
结合照明目标和系统效率的信息,可推算出灯具所需的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
•
在任何设计中,都有许多方法可实现各个目标。
方案
•
LED照明是一个新领域,因此适用于常规照明光源的假设可能并不适用LED照明。
6.
完成最后步骤
•
完成电路板布局。
•
通过制作灯具原型,来测试各个设计选择。
•
确保设计达到所有设计目标。
•
利用原型来进一步改进灯具设计。
•
记录观察结果和改进想法。
表1: Cree六步骤框架
表
六步骤法
此方法专门针对亚洲市场,生产与B10灯大小相似的E17灯。图1所示为小尺寸E17灯与A19灯的对比。
图1: E17灯(左)与A19灯(右)的比较
图
1
LED灯具设计指南,应用说明AP15,www.cree.com/xlamp_app_notes/luminaire_design_guide
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手册。如需了解保修信息,[email protected],联系Cree销售部。
2
XLAMP XT-E HVW E17参考设计
1. 确定照明要求
表2列出了E17参考设计需要考虑的特性,并按重要性顺序排列。
重要性
关键
特征
单位
光通量
流明(lm)
光效
流明每瓦(lm/W)
发光分布
色彩均匀度
外形尺寸
重要
价格
$
寿命
小时
工作温度
°C
工作湿度
相对湿度百分比
相关色温(CCT)
K
显色指数(CRI)
100点尺度
表
表2: 针对E17改型灯分级排列的设计准则
虽然能源之星®要求不直接适用于本参考设计,但这些要求在制定设计目标时十分有用。表3总结了能源之星对整体式LED灯提出的要求。2
特性
要求
灯的下列指定CCT(依照ANSI C78.377-2008)之一必须与如下7阶色品四边形和偏差公差一致。
色温(CCT)及偏差(Duv)
标称CCT
目标CCT(K)和公差
目标偏差和公差
2700 K
2725 ± 145
0.000 ± 0.006
3000 K
3045 ± 175
0.000 ± 0.006
3500 K
3465 ± 245
0.000 ± 0.006
4000 K
3985 ± 275
0.001 ± 0.006
色彩维持
在流明维持率测试期间(6000小时内),在CIE 1976(u’, v’)色彩空间上的色度变化均须在0.007的范围内。
显色指数(CRI)
最小CRI(Ra)为80。R9值必须大于0。
调光
灯可以为可调光或非调光。产品封装必须清楚说明灯为可调光还是不可调光。生产合格可调光产品的制造商必须维护一个网页,用于
提供调光器兼容性信息。
保修期
3年
允许使用的灯座
必须是符合ANSI标准的灯座。
功率因数
最低工作温度
功率< 5 W的灯和低压灯:无最低PF
功率> 5 W的灯:PF > 0.70
-20 °C或更低
≥ 120 Hz
LED工作频率
注:此性能特性针对由于低频工作造成的明显闪烁问题并适用于稳态及调光操作。
调光操作必须在所有光输出级别均达到要求。
电磁和射频干扰
用于消费用途时,必须符合相关的FCC要求(FCC 47 CFR第15部分)
可闻噪声
A类噪音评级
瞬态保护
电源应符合IEEE C62.41-1991(A类操作)的要求。线路瞬变必须包括7次共模和差模的2.5 kV级100 kHz环形波。
工作电压
灯具应在120、240、277 VAC额定标称电压或12、24 VAC/VDC电压下工作。
表3: 能源之星对整体式LED灯的要求
表
2
能源之星®对整体式LED灯的计划要求,资格标准 – 版本1.4,表4
www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/program_reqs/Integral_LED_Lamps_Program_Requirements.pdf
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3
XLAMP XT-E HVW E17参考设计
表4总结了能源之星对非标准灯提出的要求。3
标准项目
最小光效
能源之星要求
•
功率< 10 W的LED灯:50 lm/W
•
功率≥ 10 W的LED灯:55 lm/W
最小光输出
200流明
快速循环应力测试
无需特定分布。必须提交显示灯具发光强度分布的测角光度报告。
流明维持率
工作25000小时时的流明维持率≥ 70%(L70)
快速循环应力测试
循环时间:开2分钟,关2分钟。灯在L70寿命内每2小时开关一次。
表4: 能源之星对非标准灯的要求
表
由于本参考设计专门针对亚洲市场,因此我们借鉴了韩国KSC7651标准4和日本JIS C 75015标准,现摘录于下文中的表5和表6。
CCT(K)
CCT公差(K)
显色指数(CRI)
6500
7040-6020
70
5700
6020-5310
70
5000
5310-4745
70
4500
4745-4260
70
4000
4260-3710
70
3500
3710-3220
70
3000
3220-2870
70
2700
2870-2580
70
表5: 韩国KSC7651标准摘录
表
摘自日本标准:
功率
光通量
25 W
230 lm
40 W
440 lm
50 W
600 lm
60 W
760 lm
75 W
1000 lm
100 W
1430 lm
表6: 日本JIS C 7501标准摘录
表
3
4
5
Ibid.,表6
KSC7651 www.standard.go.kr/CODE02/USER/0B/03/SerKS_View.asp#
JIS C 7501 www.techstreet.com/cgi-bin/basket?action=add&item_id=3749386
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4
XLAMP XT-E HVW E17参考设计
2. 确定设计目标
在许多日常用途中,客户主要关注的是灯在0至90°区域内的发光分布。另外,客户还希望色彩和亮度能够均匀分布。能源之星对90至
180°区域内发光分布的要求以及对驱动电源25000小时寿命的要求都很难实现,超出本参考设计在性能与成本之间取得平衡的考量范
围。更进一步说,本设计的目标是雪锥式改型灯。
根据上述信息,表7列出了本项目的设计目标。
特性
光输出
单位
最低目标
预定目标
lm
400
> 400
> 60
光效
lm/W
60
功率
W
7
<7
色温(CCT)
K
3000
3000
100点尺度
显色指数(CRI)
功率因数
80
> 80
0.9
> 0.9
表7: 设计目标
表
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率
我们采用Cree的“产品特性工具”(简称“PCT”)来确定本设计的驱动电流。对于400流明的目标,我们估算光效为87%,驱动电源
效率为92%。我们还估算焊点温度为95 °C。如表8中所示的PCT输出表明,在40 mA时,3个XT-E HVW LED的光输出足以满足设计
LED System Comparison
目标。
System:
Repo
1
400
Target Lumens :
87%
Optical Efficiency:
LED 1
LED 2
型号
Cree XLamp XT-E {HVW}
通量
Q5 [107]
电流 (A)
SYS # LED SYS lm tot
0.034
0.036
0.038
0.040
0.042
0.044
0.046
4
4
3
3
3
3
3
价格
$
506.26
528.71
412.88
428.76
444.3
459.27
473.81
Model
Tsp (ºC)
95
Flux
Price
-
SYS W
6.935
7.374
5.862
6.194
6.528
6.863
7.198
(none)
Tj (ºC)
$
25
-
SYS lm/W
73
71.7
70.4
69.2
68.1
66.9
65.8
#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
表8: 带有XT-E HVW数据的PCT输出
表
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5
XLAMP XT-E HVW E17参考设计
散热要求
本参考设计中的散热片不仅必须消散由XLamp XT-E HVW LED产生的热量,还必须为LED、光学元件、驱动电源和底座提供机械框
架。如图2所示,我们将市售套件中的驱动电源改成由氧化铝散热片/外壳、塑料螺旋底座和聚碳酸酯柔光罩组成。6
图
图2: XT-E HVW E17散热片/外壳套件
柔光罩(左)、散热片/外壳(中)、塑料螺旋底座(右)
为验证本散热设计的效用,我们进行了热模拟。图3显示了灯总成的模拟热成像。模拟焊点温度(TSP)为94 °C。7
固态温度 [ºC]
固态温度 [ºC]
曲面图1:轮廓
曲面图1:轮廓
曲面图2:轮廓
图3: XT-E HVW E17灯的稳态热模拟
图
6
7
型号AL 6063,Losiwang,www.losiwang.com.cn
如需有关热管理的更多信息,请参阅Cree XLamp LED热管理应用说明,AP05,www.cree.com/xlamp_app_notes/thermal_management
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6
XLAMP XT-E HVW E17参考设计
驱动电源电子元件
此灯体型小巧,仅有有限的空间用于安装驱动电源。如图4所示,选择高压LED时,可以使用定制的小型(30 mm x 20 mm x 20 mm)、
高效(92%)恒流驱动电源。8
图4: XT-E HVW E17驱动电源
图
使用XLamp XT-E HVW LED时,可以使用更小、更高效的驱动电源,这仅仅是该高压组件的众多优势之一。虽然小型驱动电源在这种
小尺寸灯中特别有用,但仍有许多理由去选择高压LED而不是低压组件。
•
高压设计的主要优势是能够使用更高效的驱动电源,因为从交流输入线电压转换为LED驱动电压只有很小的损耗。
•
XLamp XT-E HVW LED通过UL认证,可以使用比隔离型驱动电源体型更小巧的非隔离式驱动电源。
•
高压设计中驱动电源组件的工作温度比低压设计中驱动电源组件的工作温度更低,这样不仅可以提高驱动电源的可靠性,还能延长
驱动电源的工作寿命。
•
高压设计中驱动电源组件的数量小于低压设计中驱动电源组件的数量。
•
因此,在批量生产中,高压设计的驱动电源成本低于低压设计的驱动电源成本。
4. 计算所需的LED数量
为满足设计目标,我们在E17灯中选用了3个XLamp XT-E HVW LED。XT-E HVW LED出色的光输出和光效,使得寥寥几个LED便能
产生足以满足设计目标的光输出。
XLamp XT-E HVW LED提供了丰富多样的通量和颜色选择。我们为E17灯选择暖白光LED,如表9所示。通过选用中级光通量分档的
LED,我们确保了仅需使用市场上随处可得的LED即可实现本设计的目标。
8
Fangguang Electronic,www.fgest.com
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7
XLAMP XT-E HVW E17参考设计
基本订购代码
最小值光通量(22 mA时)
色温(CCT)范围
颜色
最小值
最大值
冷白
5000 K
8300 K
中性白
3700 K
5000 K
暖白
2600 K
3700 K
组
订购代码
通量(lm) 通量(lm)
(85 °C时) (25 °C时)
R4
130
150
XTEHVW-Q0-0000-00000LG51
R5
139
161
XTEHVW-Q0-0000-00000LH51
Q5
107
124
XTEHVW-Q0-0000-00000LDE5
R2
114
132
XTEHVW-Q0-0000-00000LEE5
Q4
100
116
XTEHVW-Q0-0000-00000LCE7
Q5
107
124
XTEHVW-Q0-0000-00000LDE7
表9: XT-E HVW订购代码
表
5. 考虑所有设计方案并从中选出最佳方案
本设计将3个XLamp XT-E HVW LED并联,每个LED只消耗40 mA电流。尽管只用了寥寥3个XT-E HVW LED,其高流明输出仍使得
此E17灯能够满足其设计目标。
6. 完成最后步骤
本节介绍了Cree用于组装E17灯的技术,并将实际效果与我们的目标进行了比较。
原型制作详细信息
1. 验证组件尺寸,以确保正确的匹配。
2. 遵照Xamp XT系列LED的建议,9我们使用相应的焊锡膏,根据回流温度曲线将XT-E HVW LED回流焊接到并联的金属芯印刷电路
板(MCPCB)上。
3. 使用异丙醇清洁焊剂残留物。
4. 在MCPCB的背面涂抹一层薄薄的导热化合物,10并用螺丝将MCPCB固定到散热片上。
5. 将驱动电源直流输出线从散热片/外壳的孔中穿出,并焊接到MCPCB上相应的端接焊盘。
6. 给LED通电以测试连接并验证LED可亮起来。
7. 将驱动电源输入线焊接到E17螺旋底座。图5所示为最后总装前的灯。
图5: 最后总装前的XT-E HVW E17灯
图
9 Cree XLamp XT系列LED焊接和处理,应用说明AP107,www.cree.com/xlamp_app_notes/XT_SH
10 ASTA-7G,Arctic Silver, Inc.,www.arcticsilver.com
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8
XLAMP XT-E HVW E17参考设计
8. 将驱动电源放置在散热片/外壳上,并用螺丝将灯座固定到外壳上。
9. 用螺丝将柔光罩固定到灯壳上。
10.进行最后的测试。
结果
散热结果
为验证散热片的散热性能,我们使用热电偶来测量93°C时的稳态焊点温度。此散热性能与热模拟情况一致。
基于实测焊点温度,结点温度(TJ)可计算如下。
TJ = TSP +(LED功率*LED热阻)
TJ = 93 °C +(6.2 W)/3 * 6.5 °C/W)
TJ = 106 °C
LED估算寿命
我们采用环境保护署(EPA)的TM-21计算器来确定在44-mA输入电流、93 °C表面温度条件下XLamp XT-E HVW LED的计算寿命和
报告寿命。11 Cree的XT-E HVW LM-80数据集在55 °C、85 °C和105 °C条件下的持续有效时间为6048小时。TM-21方法将预测寿命
限定为LM-80数据集持续有效时间的六倍。
对于XT-E HVW LED,报告的L70(6k)寿命超过36000小时,计算的L70(6k)寿命为165000小时,因此我们预计XT-E HVW E17
灯的L70寿命会轻松超过25000小时(每个LED均在40 mA的电流下工作)。
光学和电气结果
表10显示了XT-E HVW E17灯在60分钟稳定时间之后的性能。12此灯符合上文摘录的韩国和日本标准,并轻松超过能源之星50/55 lm/W
的光效要求。
特性
单位
结果
lm
426
光效
lm/W
68.7
功率
W
6.2
色温(CCT)
K
3134
光输出
显色指数(CRI)
82
功率因数
0.9
光强度 - 中心光束光强(CBCP)
坎德拉(cd)
120
光束孔径角 - 半高全宽(FWHM)
度(°)
115
表
表10:
XT-E HVW E17灯的性能
11 能源之星TM-21计算器可通过以下网址获取:www.energystar.gov/TM-21calculator
12 测试在Cree的深圳技术中心使用1.5米积分球和A类测角计进行。
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XLAMP XT-E HVW E17参考设计
图6所示为XT-E HVW E17改型灯的光强角分布图。从设计上说,“雪锥”灯在“正向导引”方面要强于非定向灯。FWHM光束角为115°。
我们认为,在对90至180°区域内的光线没有严格要求的照明应用中,该角度在定向灯的可接受范围内。
图6: XT-E HVW E17灯的光强角分布
图
结语
本设计展示了将Cree XLamp XT-E HVW LED集成到符合亚洲市场要求的E17改型灯的容易程度。在本应用中,XT-E HVW LED可以
正常工作。XT-E HVW LED具备出色的光效和光分布,配有可产生无热点、照明均匀的柔光罩。与此同时,XT-E HVW LED只消耗6 W
的能源,预计寿命可轻松超过25000小时。本设计展示了Cree XLamp XT-E HVW LED可实现的性能水平,但绝不是设计基于
XT-E HVW LED的优质E17灯的唯一方式。
材料清单
组件
订货号/型号
驱动电源
公司
网址
方光电子
www.fgest.com
Losiwang
www.losiwang.com.cn
LED
XTEHVW-Q0-0000-00000LDE7
Cree, Inc.
www.cree.com/xte-hvw
导热化合物
ASTA-7G
Arctic Silver, Inc.
www.arcticsilver.com
底座、柔光罩、散热片套件
表11:
XT-E HVW E17灯的材料清单
表
用户完全承担因依赖本应用说明中的任何信息所产生的风险。Cree及其附属公司不作出有关本文件中的信息或任何按照本参考设计制造的LED灯或灯具(包括但不限于不侵犯
Cree或第三方的知识产权的灯或灯具)的任何保证或声明,亦不承担任何相关法律责任。如果灯具制造商根据任何Cree应用说明或参考设计进行全部或部分的产品设计,则该
制造商必须全权负责确保其产品符合所有适用的法律和行业要求。
版权所有© 2013 Cree, Inc.保留所有权利。本文所列信息若有更改,恕不另行通知。Cree®、Cree徽标及XLamp®均为Cree, Inc.的注册商标。如需了解产品规格,请参阅www.cree.com上提供的数据
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