低棚灯参考设计

Cree® XLamp® CXA3050 LED
低棚灯参考设计
目录
前言
前言.................................................................... 1
本应用说明详细介绍了采用Cree XLamp CXA3050 LED集
设计方法／目标...................................................... 2
成阵列的替换低棚灯具的设计。CXA3050 LED集成阵列具有
六步骤法............................................................... 2
高通量输出和高光效，是低棚灯具所用设计强有力的候选方
1. 确定照明要求.................................................... 2
案。CXA3050 LED集成阵列的性能意味着无需使用数十个独立
2. 确定设计目标.................................................... 4
LED即可达到传统金卤灯和荧光低棚照明的光输出水平。
CLD-AP161 REV 0A
应用说明
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率................... 4
4. 计算所需的LED数量........................................... 6
基于CXA3050 LED集成阵列的低棚灯具不仅提供了能效方面的
5. 考虑所有设计方案.............................................. 6
好处，而且其长寿命也降低了通常难以维护的工业和商业应用的
6. 完成最后步骤：实施和分析................................... 7
维护成本。
结语...................................................................11
www.cree.com/Xlamp
材料清单..............................................................11
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及其附属公司对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）不作任何保证或声明，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。
®
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、Cree徽标和XLamp®均为Cree,Inc.的注
Inc.的注册商标。如需了解产品
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© 2013
2010 Cree,
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规格，请参阅www.cree.com上提供的数据手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。其他商标、产品和公司名称均为
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XLamp CXA3050低棚灯参考设计
设计方法／目标
在“LED灯具设计指南”1 中，Cree提出了一个用于制作LED灯具和灯的六步骤框架。所有Cree参考设计均采用该框架，下表简要回顾
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。
明确任何其他会对设计造成影响的目标，如特殊光学或环境要求。
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率
•
•
•
设计目标将对光学系统、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方案
•
•
在任何设计中，都有许多方法可实现各个目标。
LED照明是一个新领域，因此适用于常规照明灯具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1：
六步骤法
本设计的目标是制作一款基于LED、能够替换商业、工业和仓库应用中的金属卤素和荧光灯具的低棚灯具。作为替换灯具，本设计采用与
目前使用的传统低棚照明类似的外形。
1. 确定照明要求
表2列出了低棚灯具设计需要考虑的特性，并按重要性顺序排列。
重要性
关键
特性
单位
照度分布
英尺烛光（fc）/勒克斯（lx）
电功率
瓦（W）
寿命
小时
光通量
流明（lm）
可制造性
重要
工作温度
°C
工作湿度
%相对湿度
相关色温（CCT）
K
显色指数（CRI）
100点尺度
易于安装
表2：
表2: 针对低棚灯具分级排列的设计准则
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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2
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
表3总结了能源之星®对固态灯具的要求。2 能源之星没有对低棚灯具提出相关要求。
特性
要求
光源寿命要求：所有灯具
LED封装／LED模块／LED阵列（包括被纳入LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯中的LED封装／模块／阵列）应达到以下L70
流明维持率寿命值要求（参见下节中的流明维持率要求）：
•
•
•
对于家用级室内灯具，25000小时
对于家用级室外灯具，35000小时
对于商用级灯具，35000小时
超出上述要求的流明维持率寿命预测声明应通过TM-21流明维持率寿命预测报告加以证明。
流明维持率要求：定向和非定向灯具
LED封装／模块／阵列（包括被纳入LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯中的LED封装／模块／阵列）应达到以下L70（6k）额
定流明维持率寿命值（实地）：
•
•
对于家用室内灯具，L70（6k）≥ 25000小时
对于家用室外或商用灯具，L70（6k）≥ 35000小时
上述要求的符合情况应通过TM-21流明维持率寿命预测报告加以记录（详见TM-21第7节）。该报告应根据所采用LED封装／模块／
阵列型号（统称“设备”）的LM-80测试报告中的数据、各个设备所使用的正向驱动电流以及灯具中温度最高的LED的实地TMPLED
温度来制作。除LM-80报告要求之外，还应报告以下信息：
•
•
•
•
•
•
抽样方法和样本大小（依照LM-80第4.3节）
各个TS与驱动电流组合的测试结果
设备描述，包括型号以及设备是LED封装、模块还是阵列（参见“定义”部分）
ANSI目标以及样本集中各个设备的相关色温计算值
样本集中各个设备在CIE 1976图中的Δ u’v’色度位移值
详细的理由及其支持数据，以便将结果应用于其他设备（如具有其他相关色温值的LED封装）
可通过在灯具壳体中开一个极小的孔（如果出于测试目的，可用合适的密封胶重新封紧该孔），来获知温度最高的LED的TMPLED。
应对所有热电偶附着物和灯具壳体的侵入物进行拍照。
相关色温要求：所有室内灯具
灯具（定向灯具）或可替换LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯（非定向灯具）的标称相关色温值均须为以下之一：
•
•
•
•
•
2700
3000
3500
4000
5000
K
K
K
K
K（仅限于商用）
此外，灯具、LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯还均应属于相应的7阶色度四边形范围内（如ANSI／NEMA／ANSLG
C78.377-2008中所定义）。
显色要求：所有室内灯具
灯具（定向灯具）或可替换LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯（非定向灯具）均须达到或超过Ra ≥ 80。
色彩角均匀度要求：
定向固态室内灯具
在上面详述的整个区域流明密度角度内，以及超出该角度范围五度区域内，色度变化与CIE 1976 （u’,v’）图中加权平均点的偏差应
在0.004以内。
色彩维持率要求：
仅限于固态室内灯具
在灯具工作头6000小时中，色度变化应在CIE 1976（u’,v’）图中的0.007以内，如以下任一方式所证明：
•
•
•
光源启动时间要求：
定向和非定向灯具
2
所采用LED封装／阵列／模块型号的IES LM-80测试报告，或
0和6000小时时LM-79报告中灯具的色度数据比较，或
0和6000小时时LM-82报告中LED光引擎或基于GU24的整体式LED灯的色度数据比较。
光源应在通电后1秒钟内保持持续点亮。
能源之星计划要求，灯具的产品规格，资格标准，版本1.2，
www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/program_reqs/Final_Luminaires_V1_2.pdf?7b7d-2473
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3
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
特性
要求
功率因数要求：定向和非定向灯具
灯具总输入功率小于或等于5瓦：PF ≥ 0.5
灯具总输入功率大于5瓦：
家用：PF ≥ 0.7
商用：PF ≥ 0.9
瞬态保护要求：所有灯具
镇流器或驱动电源应符合ANSI／IEEE C62.41.1-2002和ANSI／IEEE C62.41.2-2002（A类操作）的要求。线路瞬态保护应能
够承受共模和差模形式下各打7次2.5 kV/100 kHz振铃波的试验。
工作频率要求：定向和非定向灯具
频率≥120 Hz
注：此性能特性可解决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。调光操作应在所有光输出级别均达到要求。
噪音要求：定向和非定向灯具
灯具内使用的所有镇流器和驱动电源均须达到A类噪音评级。
建议以使灯具在工作时发出的声音不会超过24 BA的实测水平的方式来安装镇流器和驱动电源。
表3:
表3： 能源之星灯具要求
The DesignLights™ Consortium对商业和工业建筑中的低棚灯具提出了相关要求。3
要求
特性
5000 lm
最小光输出
≥ 30%，20–50°
区域流明密度
最小灯具光效
80 lm/W
允许的相关色温（依照ANSI C78.377-2008）
< 5700 K
70
最小显色指数
L70流明维持率
35000小时
5年
最短灯具保修期
表4: DesignLights Consortium低棚灯具要求
表4：
2. 确定设计目标
表5列出了本项目的设计目标。
特性
光输出
灯具光效
功率
单位
最低目标
预定目标
> 6000
lm
6000
lm/W
80
> 80
W
120
< 120
≥ 30%，20–50°
≥ 30%，20–50°
4000
4000
70
> 70
区域流明密度
CCT
K
CRI
100点尺度
表5:
表5：设计目标
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”（PCT）来确定本设计的驱动电流。4 对于6000-lm的目标，我们估算光效为93%，驱动电源效率为
89%。我们还估算表面温度（Tc）为45 °C。
3
4
《技术要求表》2.0版，DesignLights Consortium合格产品清单—非住宅应用，
www.designlights.org/solidstate.manufacturer.requirements.php
可访问以下网址获取PCT：pct.cree.com
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4
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
图1中突出显示的PCT结果表明，在1.65 A时，本设计只需1个CXA3050 LED集成阵列即可提供足以满足设计目标的光输出。
LED 1
电流 (A)
型号
1.500
1.550
1.600
1.650
1.700
光通量
价格
系统LED数量
2
2
2
1
1
Cree XLamp CXA3050 LES 23r {EZW}
Tj (ºC)
X2 [5590]
$
45
-
系统总流明
11386.7
11667.5
11943.7
6107.7
6241.4
系统流明/瓦
89.3
88.2
87.1
86
85
系统瓦数
127.566
132.353
137.166
71.002
73.434
图1： 所用LED数量和驱动电流的PCT视图
图1:
光学元件
本参考设计的目标是作为替换用低棚灯具，因此外形类似于现有灯具。光学元件采用的是直径为
16英寸的市售反光杯，其效率约为90%5。
图2： 低棚反光杯
图2:
散热要求
散热解决方案是确保基于LED的灯具设计成功的一个关键因素。本参考设计采用铝型材散热片，如图3所示。6 如图4所示，散热片配有一
个中心核心散热铜管，铜管可以通过内部液体的蒸发和冷凝来提高导热性。
图3:
图3： 低棚散热片
5
6
图4:
图4：散热片设计
型号GK80，深圳市超频三科技有限公司，www.pccooler.cn/
型号ZT60W-D170H85，嘉善恒杰热管科技有限公司，www.hjrch.com/en/index.asp
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5
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
为验证本散热设计的效用，我们进行了热模拟。图5显示热模拟结果。模拟表面温度为45 °C。
图5：
图5: CXA3050低棚灯具热模拟
驱动电源
我们使用与本设计的电流和电压范围相匹配的市售恒流驱动电源7（如图6所示）。驱动电源位于灯具顶部的驱动电源外壳内，8 如图7
所示。
图6： 低棚驱动电源
图6:
图7：低棚驱动电源外壳
图7:
4. 计算所需的LED数量
通过使用Cree的PCT，我们确定，1个XLamp CXA3050 LED集成阵列的光输出就足以满足6000-lm的设计目标。
5. 考虑所有设计方案
XLamp CXA3050 LED集成阵列具有宽广的色温范围。我们为本低棚灯具设计选择中性白LED，如表6中突出显示部分所示。
7
8
型号UF100A300AQ，鸣志公司，www.moonsindustries.com/
型号“高棚外壳”，佛山市南海毅远铝制品有限公司，yiyuan.cnal.com/
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6
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
CCT
范围
4000 K
基本订购代码
最小光通量
（1400 mA时）
CRI
最小值
典型值
70
75
80
90
---
95
色度区域
订购代码
组
通量（lm）
（85 °C时）
通量（lm）
（25 °C*时）
W4
5225
5888
X2
5590
6299
X4
6010
6773
CXA3050-0000-000N0HX40E5
W2
4860
5477
CXA3050-0000-000N0HW20E5
W4
5225
5888
X2
5590
6299
CXA3050-0000-000N0HX20E5
V2
4230
4767
CXA3050-0000-000N0UV20E5
V4
4545
5122
W2
4860
5477
CXA3050-0000-000N0HW40E5
5A0、5B0、5C0、5D0
5A0、5B0、5C0、5D0
5A0、5B0、5C0、5D0
CXA3050-0000-000N0HX20E5
CXA3050-0000-000N0HW40E5
CXA3050-0000-000N0UV40E5
CXA3050-0000-000N0UW20E5
表6：
表6: CXA3050订购代码
6. 完成最后步骤：实施和分析
通过上述方法，我们确定了LED、组件和驱动条件的理想组合。本节介绍Cree如何组装低棚灯具，并展示设计结果。
原型制作详细信息
1. 验证组件尺寸，以确保正确的匹配。
2. 在LED背面涂抹薄薄一层导热化合物，9 并将LED安装到散热片上。此外，还可以使用连接器将LED与散热片对准并连接。参与Cree
解决方案提供商计划（Cree Solution Provider Program，CSP）10 的公司可以提供连接器，可以通过Cree网站访问他们的网
站。11
3. 将驱动电源输入线穿过驱动电源外壳的顶部，并将驱动电源安装在驱动电源外壳内。
4. 在散热片上安装四颗隔离螺丝，并将其安装到驱动电源外壳上。
5. 将驱动电源输出线穿过驱动电源外壳基板，并将其安装到隔离螺丝上。
6. 用螺丝将基板安装到驱动电源外壳上。
7. 将驱动电源输出线沿散热片翅片布线，用于连接LED。
8. 遵照Cree的CXA3050 LED集成阵列焊接和处理应用说明中的建议，将驱动电源输出线焊接到LED上。12
9. 用螺钉将反光杯固定到散热片上。
10.进行最后的测试。
9
10
11
12
Black Ice 712，Timtronics，www.timtronics.com/electricallyconductive.htm
请参阅Cree的化学相容性应用说明，了解可安全用于Cree LED的化合物。
Cree XLamp LED化学相容性应用说明，AP63，www.cree.com/products/pdf/XLamp_Chemical_Comp.pdf
Cree解决方案提供商计划（Cree Solution Provider Program，CSP），www.cree.com/led-components-and-modules/tools-and-support/solution-providers
互联解决方案提供商，www.cree.com/led-components-and-modules/tools-and-support/solution-providers/interconnect
Cree XLamp CXA系列LED焊接和处理，应用说明AP74，www.cree.com/xlamp_app_notes/CXA_SH
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7
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
结果
散热结果
Cree验证了表面温度，以确认散热片的散热性能与我们的模拟情况一致。测得的表面温度为47 °C，这与模拟情况比较一致并且在
CXA3050 LED集成阵列的工作限值曲线范围内。
LED估算寿命
我们使用美国环境保护署（EPA）TM-21计算器来确定XLamp CXA3050 LED集成阵列在输入电流为2.25 A、表面温度为47 °C时的计
算寿命和报告寿命。13 Cree的CXA3050 LM‑80数据集的持续时间是6048小时（温度为85 °C时）。TM-21方法将预测限制为数据集
持续时间的6倍。
对于CXA3050 LED集成阵列，报告的L70（6k）寿命超过36000小时，计算的L70（6k）寿命为76000小时，因此我们预计CXA3050
低棚灯具的L70寿命可轻松超过35000小时。
光学和电气结果
通过使用1.5米积分球和A类测角计对稳态下的灯具进行测试，我们获得了表7中的结果。14 如表所示，灯具超过6000-lm的目标，使用
的功率不到70 W。CXA3050低棚灯具还超过了DLC要求。
特性
光输出
灯具光效
功率
单位
DesignLights
Consortium低棚要求
预定目标
CXA3050低棚灯具测试结果
lm
5000
6000
6356
lm/W
80
> 80
92
W
区域流明密度
-
< 120
69
≥ 30%，20–50°
≥ 30%，20–50°
58%，20-50°
CCT
K
< 5700 K
4000
3898
CRI
100点尺度
70
> 70
83
表7: CXA3050低棚灯具稳态结果
表7：
图8中的极坐标光强分布图显示，CXA3050低棚灯具具有一致的光束形状和光分布。
13 能源之星TM-21计算器可通过以下网址获取：www.energystar.gov/TM-21calculator。
14 测试在Cree的上海技术中心进行。
低棚灯具的IES文件可访问以下网址查阅：www.cree.com/xlamp_app_notes/CXA3050_lowbay_ies。
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8
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
图8：
图8: CXA3050低棚灯具的极坐标光强分布图
表8中的光强度和光分布数据显示，CXA3050低棚灯具有效地照亮了其安装区域。
高度
中心光束照度
光束宽度
垂直传播
水平传播
1.0 m
3.3 ft
290.6 fc
3128.0 lx
2.2 m
7.2 ft
2.2 m
7.2 ft
2.0 m
6.6 ft
72.7 fc
782.0 lx
4.4 m
14.4 ft
4.4 m
14.4 ft
3.0 m
9.8 ft
32.3 fc
347.6 lx
6.5 m
21.3 ft
6.6 m
21.6 ft
4.0 m
13.1 ft
18.2 fc
195.5 lx
8.7 m
28.5 ft
8.9 m
29.2 ft
5.0 m
16.4 ft
11.6 fc
125.1 lx
10.9 m
35.8 ft
11.1 m
36.4 ft
6.0
19.7 ft
8.1 fc
86.9 lx
13.1 m
43.0 ft
13.3 m
43.6 ft
7.0 m
23.0 ft
5.9 fc
63.8 lx
15.3 m
50.2 ft
15.5 m
50.9 ft
表8：
表8: CXA3050低棚的中心光束照度
采用DIALux软件15模拟边长为20 m、天花板为7 m的任意方形房间的照明情况。图9和图10显示9个以3X3阵列均匀分布的灯具的模
拟测试结果。假色渲染下的图例给出了各种颜色代表的英尺烛光（fc）和勒克斯（lx）值。图9中的渲染和图10中的等值线图显示了
CXA3050低棚灯具的空间照明效果。
15 DIALux 4.9，DIAL GmbH，www.dial.de/DIAL/en/dialux-international-download.html
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9
XLamp CXA3050低棚灯参考设计
fc
0
0.93
1.5
1.86
3
2.79
4.5
3.71
6
4.64
7.5
5.57
9
6.50
10.5
7.43
12
lux
0
16.1
32.3
48.4
64.6
80.7
96.9
113.0
129.2
fc
图9：
图9: CXA3050低棚灯具假色照明
这一模拟的均匀率如下所示。
Project 1
17.09.2013
E平均值
9.18 fc
E最小值
4.87 fc
E最大值
12
Operator
Telephone
Fax
e-Mail
E平均值 / E最小值 = 1.89
7.43
E最大值 / E最小值 = 2.46
20.00 m
7.43
7.43
Page 8
Room 1 / Floor / Isolines (E)
9.29
9.29
9.29
7.43
9.29
11.15
7.43
11.15
9.29
11.15
11.15
0
1.50
3.00
4.50
9.29
11.15
11.15
6.00
11.15
11.15
7.50
9.00
9.29
11.15
10.50
12.00
fc
11.15 11.15
7.43
9.29
9.29
9.29
9.29
7.43
7.43
0.00
7.43
0.00
20.00 m
Values in Footcandles, Scale 1 : 157
图10：
图10: CXA3050低棚灯具等值线图（数值单位为fc）
Position of surface in room:
Marked point:
(0.000 m, 0.000 m, 0.000 m)
Page
Grid: 128 x 128 Points
Eav [fc]
Emin [fc]
Emax [fc]
Emin / Emax
u0
9.18
4.87
12
0.531
0.398
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徽标和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
手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
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XLamp CXA3050低棚灯参考设计
结语
本参考设计展现了基于Cree XLamp CXA3050 LED集成阵列的低棚灯具的出色性能。本参考设计通过市售组件和简单明了的设计在没
有采用复杂光学元件的情况下达到了设计结果。依托CXA3050 LED的高光输出和高光效，只需一个LED集成阵列即可提供满足DLC低棚
要求的光输出，同时又没有金卤灯发射紫外线光及启动和再次启动速度缓慢这些特点。CXA3050低棚灯具的另外一个优势在于其重量只
有3.6 kg，比金卤灯更容易安装，金卤灯的重量是CXA3050低棚灯具的三倍。CXA3050 LED集成阵列的色温在2700 K到5000 K之
间，流明输出高达9000 lm，使基于单个XLamp LED组件的低棚灯具产品线成为可能。Cree XLamp CXA3050 LED集成阵列的照明
级性能使其成为基于LED的低棚灯具的理想设计方案。
材料清单
组件
订购代码／型号
公司
Web链接
驱动电源
UF100A300AQ
鸣志公司
www.moonsindustries.com/
驱动电源外壳
高棚外壳
佛山市南海毅远铝制品有限公司
yiyuan.cnal.com/
散热片
ZT60W-D170H85
嘉善恒杰热管科技有限公司
www.hjrch.com/en/index.asp
LED
CXA3050-0000-000N0HX20E5
Cree, Inc.
www.cree.com/cxa3050
反光杯
GK80
深圳市超频三科技有限公司
www.pccooler.cn/
导热化合物
Black Ice 712
Timtronics
www.timtronics.com/
electricallyconductive.htm
表9: CXA3050低棚灯具材料清单
表9：
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及其附属公司对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）不作任何保证或声明，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徽标和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
手册。如需了解保修信息，请发送电子邮件至[email protected]，联系Cree销售部。
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