CLD-AP71 REV 0 应用说明 Cree® XLamp® XM-L EZW MR16 参考设计 图 1：MR16 组件 简介.....................................................................1 设计方法/目标........................................................2 六步骤法...............................................................3 1. 确定照明要求................................................ 3 2. 确定设计目标................................................ 6 3. 估计效率..................................................... 6 4. 计算所需的 LED 数量...................................... 8 5. 考虑所有设计方案.......................................... 8 6. 完成最后步骤................................................ 8 WWW. CREE.COM/XLAMP 结论...................................................................12 简介 此处介绍的设计建立在 “Cree XLamp MT-G MR16 参考设计”1 基础之上，描述了 20 W - 25 W MR16 替换灯的设计。XM-L EasyWhite LED 体积比 MT-G 小，便于针对流明密度较低的应 用场合开发 MR16 替换灯泡。 尽管本应用说明重点讲述 XM-L EZW LED，不过 Cree 提供了 一系列 EasyWhite (EZW) 产品，都可以应用于 MR16 及相关 的场合。 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 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。 Copyright © 2010 Cree, Inc. All rights reserved. The information in this document is subject to change without 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, notice. Inc. 的注册商标。 Cree, the Cree logo and XLamp are registered trademarks of Cree, Inc. 本文档所提供的信息仅供参考，不作为担保或者技术指标。若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息， 请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 华刚国际贸易有限公司 香港沙田香港科学园 科技大道东 2 号 光电子中心 3 楼 301室 电话：+852 2424 8228 传真：+852 2422 2737 电邮：[email protected] XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 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 灯具和灯。我们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。 • 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。 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 • 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。 • 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。 6. 完成最后步骤 2“LED 灯具设计指南” ，应用说明 AP15，www.cree.com/products/pdf/LED_Luminaire_Design_Guide.pdf 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 2 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 六步骤法 本项目的主要目标是，证明可以方便地开发一款替代目前市场上 MR16 卤素灯泡的产品，表明能以合理的成本，推出 20-W – 25-W 等效 MR16 灯泡。此项目被定位为改造项目，因此本项目的 MR16 灯泡可以用在现有已安装的活动式投射照明和灯具中。 1. 确定照明要求 下表列出了本参考设计中 MR16 的设计所需考虑的各项重要特征。 重要性 关键 特征 单位 光强 CBCP (尺烛光) 光束角 (FWHM) 度 电功率 瓦 (W) 光通量 流明 (lm) 外形尺寸 按照 ANSI C78.21.2003 灯泡间光色一致性 重要 价格 $ 使用寿命 (L70) 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 驱动器功率因数 可制造性 表 1：目标 MR16 灯具特征 通过对购自家居装修商店的 20-W MR16 卤素灯进行测量，我们得到了基本的基准数据。 光源 实测功率 (W) 光通量 (Lm) 中心光强 (cd) 光束角 (°) 色温 (CCT) MR16 A 20.78 280 13.5 420 36 2900 MR16 B 21.17 MR16 C 20.66 254 12.0 455 30 2780 260 12.6 950 22 2780 光效 (Lm/W) (K) 表 2：卤素 MR16 基准数据 这些 MR16 卤素灯的测量结果表明光束角存在不一致性。图 2 中的图形显示了实测的数据，这些数据经过归一化，以显示对照卤素灯的光 分布情况。这些数据表明峰值光强的位置和光束形状存在变动性。本应用说明表明，基于 XM-L EZW 的 MR16 能显著改善这些光分布， 形成了可重复的同光强光束。 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 3 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 图 2：测量的卤素 MR16 测角光强极坐标图 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 4 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 下表摘要讲述了要符合能源之星®计划所需满足的要求。3 特征 定义 要求 直接照明是指由灯具发射的光通量的 90%-100% 部分，直接投射到假定工作面上的照明。此术语 通常指向下发射的光。 灯具必须达到以下指定的相关色温中的一个并且落在 ANSI/NEMA/ANSLG C78.377-2008 中定 义的七阶色度四边形内。 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) 室内灯具的最低显色指数 (CRI) 应达到 80。 担保 允许灯头 对于带有可替换驱动器的灯具是 3 年担保期。 对于带有不可替换驱动器的灯具是 5 年担保期。 必须是 ANSI 列出的灯头。 总灯具输入功率 < 5 W：PF > 0.5 功率因数 最低工作温度 总灯具输入功率 > 5 W： 对于住宅 PF > 0.7 对于商用 PF > 0.9 -18°C 或以下 ≥ 120 Hz 工作频率 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 噪音 瞬时电流保护 灯具光效 最小光输出 电源和/或驱动器应满足 FCC 要求 (CFR Title 47 Part 15) 灯具内使用的镇流器和驱动器应具有 A 级声音等级。工作中，灯具发出的声音不能超过 24 dBA 测量值。 镇流器或驱动器应符合 ANSI/IEEE C62.41-1991，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。 42 lm/W 孔径 ≤ 4.5 英寸：345 流明 孔径 > 4.5 英寸：575 流明 区域流明密度 0-60°区域内最小为总流明的 75% (以最低点轴对称) 色角度均匀度 色度变化应在 CIE 1976 (u’,v’) 色度图的 0.004 以内。 流明维持要求 L70 > 25,000 小时 3 能源之星计划要求 照明设备 (灯具) 产品规范 – 资格标准 – 版本 1.0 http://www.energystar.gov/ia/partners/prod_development/new_specs/downloads/luminaires/ ES_Luminaires_V1_Final_Specification.pdf 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 5 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 2. 确定设计目标 本项目的设计目标： 特征 灯具光输出 单位 最低目标 预定目标 Lm 250 280 相同 更好 <5 <5 照度/亮度特性 W 功率 光束角 中心光强 (CBCP) 寿命 色温 (CCT) 显色指数 (CRI) 灯泡间光色一致性 3. ° 36 36 Cd 470 490 小时 25,000 50,000 K 3,000 3,000 80 < 4 阶 McAdams 椭圆 85 < 2 阶 McAdams 椭圆 估算光系统、热系统及电气系统的效率 元件效率 对于 6-V 和 12-V 版本的 XM-L EZW LED，图 3 显示了它们在 Cree 产品参数工具中的基本 LED 电气数据和光学输出。4 4http://pct.cree.com 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 6 Figure 3 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 图 3：Cree 产品参数工具，其中显示 XLamp XM-L EZW 数据 散热要求 XLamp XM-L EZW LED 在 5 瓦或以上的功率下运行时，在稳态温度下，需要散热器来消除这个热负荷。在基于 LED 的 MR16 设计中，散热器除了必须散发 LED 产生的热量外，还要作为 LED、光学器件、驱动器和灯头的机械框架，而且，要作为 MR16 替代灯， 还需要能装入 ANSI C78.24-2001 中定义的 ANSI 标准外壳中。为证明制造一款高品质的 XM-L EZW MR16 替代灯非常方便，Cree 为该设计选择了 Neng Tyi Precision Industries Co., Ltd 的一款有现货供应的散热器。5 驱动电子元器件 对于本参考设计，Cree 并没有尝试兼容所有 12V 变压器，而是选择了一款常见的电子变压器 Lightech6 LET 60 LW，这是一款低功率 变压器，与 LED 和白炽 MR16 均兼容。 MR16 驱动器设计使用了 Diodes, Inc.7 的基于其 AL8806 控制器的设计。该驱动器效率经计算为 81.1%。 5 6 7 Neng Tyi 网址：http://www.nengtyi.com.tw Lightech Electronic Industries, Ltd. 网址：http://lightechinc.com Diodes, Incorporated 网址：http://www.diodes.com/zetex/cree 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 7 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 二次光学器件 能源之星整体式 LED 灯中心光强计算工具（7/6/2010 版）确定了基线 CBCP 强度。 Cree 通过与 Carclo Technical Plastics Ltd (Carclo plc,8 旗下分公司) 合作，研制了一款兼容 XM-L EZW LED 的 30-mm TIR 透镜，可装配到散热器中，其效率在 93% 以上。 4. 计算所需的 LED 数量 一只。 本参考设计的目的是表明，可方便地使用单个 XM-L EZW LED 封装，提供与市场上的卤素灯泡相当的照度和更高的光效。XLamp XM-L EZW LED 是一种多芯片 LED 封装，能提供 MR16 替换灯泡所需的中心光强 (CBCP)，并且具有更佳的 LED 之间的色彩一致性 和效率。 5. 考虑所有设计方案 设计替代型 MR16 灯泡的方法有许多。通过使用 Cree 的 MT-G MR16 参考设计作为指导，Cree 选择组件研制出了 20 W - 25 W 卤素 MR16 替换灯泡，实现了主要设计目标—证明用 Cree 的 XLamp XM-L EZW LED 设计这样的灯泡非常方便。 XM-L EZW LED 为该设计带来诸多好处。由于 XM-L 的 EasyWhite 技术，因此可保证 LED 间色彩一致性位于两个或四个 McAdam 椭圆内 (针对给定的色温，并取决于订购代码)。XM-L EZW LED 的最小显色指数 (CRI) 为 80，并可提供更高的 CRI，且在 85°C 温度下分档，因此 CCT 对于系统环境是非常准确可靠的。这些特性使规格的准确性达到了新的水平。 6. 完成最后步骤：实现和分析 原型制作详情 XM-L EZW LED 与散热器、光学器件和驱动器的组装依照 Cree 的 MT-G 参考设计中详述的步骤进行。组件如图 4 所示，组装所得为 一个 20 W - 25 W 卤素 MR16 灯的替换品。 8Carlo 网址：http://www.carclo-optics.com 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 8 Figure 4 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 图 4：XM-L EZW MR16 部件 结果 热结果： 红外热像9 表明灯的最高表面温度为 54 –55° C。 图 5：热像 9 照片是用 FLIR T300 在位于北卡罗纳州达勒姆的 Cree 设施拍摄的。 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 9 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 图 6 显示了在 40 分钟时间内测得的焊点温度 (Tsp) 和环境温度 (Ta)。基于测得的焊点温度、LED 的工作功率以及 XML-EZW LED 的典型热阻 2.5°C/W，计算得出结温 (Tj) 为 76.8 °C。 图 6：XM-L EZW MR16 的焊点和环境温度 光学结果： XM-L EZW MR16 的光学结果显示光束角为 36°，光学效率为 93.4%。图 6 中的图形显示了实测的光强数据，这些数据经过归一化， 以显示 XM-L EZW MR16 灯的光分布。数据表明光束形状和光分布一致，且具有与对照卤素灯相同的光强。 图 7：测得的 XLamp XM-L EZW MR16 的测角光强极坐标图 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 10 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 表 3 中的数据证明，使用单个 XM-L EZW LED 制成满足能源之星要求的 20W MR16 卤素灯的替换品是可行的。 LED 6-V XM-L EZW 光输出 功率 光效 光束角 中心光强 色温 显色指数 Tsp (lm) (W) (lm/W) (°) (cd) (CCT) (CRI) (°C) 275 4.76 57.6 36 620 2990 82 67.1 表 3：系统测试数据，稳态 此设计能达到与基于能源之星要求的 20W MR16 卤素灯相当的性能。测得的 CBCP 为 620 cd，超过 36° 光束所要求的最低 496 cd。 流明输出在稳态时为 275 流明。图 8 显示了光束特性和光强分布。 图 8：测得的 20 W 等效 XM-L EZW MR16 的光强分布 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 11 XLAMP XM-L EZW MR16 参考设计 结论 本设计的目标是，设计出一款基于 LED 的 MR16 替换型替代灯泡，该灯泡要求具有与 20W – 25W 卤素 MR16 相当的性能，并且符合 能源之星要求。本参考设计证明，可方便地将 Cree XLamp XM-L EZW LED 整合到传统的 MR16 外壳中，并满足能源之星对 20W – 25W MR16 替换灯泡的要求。本文档表明，用单个 XM-L EZW LED 可达到这一性能水平，但不应理解为这是设计出性能良好的 MR16 替换灯的唯一方法。 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。 若想了解产品技术指标，请参见 www.cree.com 上提供的技术数据表。有关保修信息，请发送电邮至 [email protected] 与 Cree 销售部门联系。 12