Cree® XLamp® XB-D LED MR16参考设计 目录 前言 前言.................................................................... 1 MR16形态紧凑，用于驱动电子元件和散热的空间有限，在设计 设计方法／目标...................................................... 2 上相当具有挑战性。XB-D LED的小规格和业界领先的光输出使 六步骤法............................................................... 2 其特别适合用作MR16灯的光源。 CLD-AP95 rev 0A 应用说明 1. 确定照明要求.................................................... 2 2. 确定设计目标.................................................... 4 3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率................... 5 4. 计算所需的LED数量........................................... 7 5. 考虑所有设计方案.............................................. 7 6. 完成最后步骤：实施和分析................................... 7 www. cree.com/Xlamp 结语...................................................................10 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灯或光源（包括但不限于不 侵犯Cree或第三方的知识产权的灯或光源）的任何保证或声明，亦不承担任何相关法律责任。如果光源制造商根据任何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。本文件中的信息若有更改，恕不另行通知。Cree、Cree徽标及XLamp均为Cree, Inc.的 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 注册商标。 品规格，请参阅www.cree.com上提供的数据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。其他商标、产品和公司名称均为其各自 所有者的财产，并不意味着特定的产品和／或供应商的认可、赞助或关联。 Cree, Inc. 4600 Silicon Drive Durham, NC 27703 美国电话：+1.919.313.5300 XLamp XB-D MR16参考设计 在Cree基于XLamp MT-G、XM-L EasyWhite和XP-E LED的MR16替换灯参考设计的基础上，本设计证明了采用XLamp XB-D LED作 为20瓦等效MR16替换型室内聚光灯的光源的可能性。1 设计方法／目标 在“LED光源设计指南”2中，Cree提出了一个用于制作LED光源和灯的六步骤框架。所有Cree参考设计均采用该框架，并在下面的表格 中对设计指南的内容作一简要回顾。 步骤 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，可推算出光源所需的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光源的假设可能并不适用LED照明。 • 完成电路板布局。 • 通过制作光源原型，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光源设计。 • 记录观察结果和改进想法。 6. 完成最后步骤 表1: Cree六步骤框架 六步骤法 本设计的目标是制作一款基于LED的20瓦等效改型MR16灯，以体现XLamp XB-D LED的性能。 1. 确定照明要求 表2列出了MR16灯参考设计需要考虑的特性，并按重要性顺序排列。 1 Cree XLamp MT-G MR16参考设计，应用说明AP62， www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Reference%20Designs/ XLampMTG_MR16_Ref.pdf Cree XLamp XM-L EZW MR16参考设计，应用说明AP71， www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Reference%20Designs/ XLampXML_MR16_Ref.pdf Cree XLamp XP-E MR16参考设计，应用说明AP76， www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Reference%20Designs/ XLampXPE_MR16_Ref.pdf 2 LED光源设计指南，应用说明AP15，www.cree.com/xlamp_app_notes/luminaire_design_guide 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 2 XLamp XB-D MR16参考设计 重要性 关键 特性 单位 光强度 - 中心光束光强（简称“CBCP”） 坎德拉 (cd) 光束孔径角 - 半高全宽 (FWHM) 度 (°) 照度分布 英尺烛光 (fc)／勒克斯 (lx) 功率 瓦 (W) 光通量 流明 (lm) 光效 流明每瓦 (lm/W) 形态 重要 价格 $ 寿命 小时 工作温度 °C 相关色温 (CCT) K 显色指数 (CRI) 100点尺度 可制造性 表2: 针对MR16灯分级排列的设计准则 表3总结了针对所有整体式LED灯的能源之星®要求。3 特性 要求 灯必须具有以下指定相关色温之一（依照ANSI C78.377-2008）并且与以下7阶色品四边形和Duv公差一致。 相关色温和Duv 额定相关色温 目标相关色温 (K) 和公差 目标Duv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 色彩维持率 在最小流明维持率测试期间（6,000小时），在CIE 1976 (u’,v’) 色彩空间上的色品变化均须在0.007的范围内。 显色指数 (CRI) 最小显色指数 (Ra) 为80。R9的值必须大于0。 允许的灯座 必须是ANSI中所列的灯座。 灯功率<5 W并且是低压灯：无最低功率因数要求 功率因数 灯功率>5W：功率因数必须>0.70 注：功率因数必须在额定电压下测量。 最低工作温度 LED工作频率 -20 °C或以下 ≥ 120 Hz 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 必须符合相关的消费者使用FCC要求（FCC 47 CFR 15部分） 可听噪音 A类噪音评级 瞬变保护 电源必须符合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 灯的额定电压必须为120、240或277 VAC或者12或24 VAC或VDC。 表3: 针对所有灯的能源之星要求 3 整体式LED灯能源之星®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 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 3 XLamp XB-D MR16参考设计 表4总结了针对替换MR16灯的能源之星要求。4 标准项 能源之星要求 定向灯是指有至少80%的光输出位于∏ sr的立体角内（对应于角度为120°的圆锥体）的灯 定义 灯直径<20/8英寸：40 lm/W 最小光效 灯直径>20/8英寸：45 lm/W 色彩空间均匀度 在光束孔径角范围内，在CIE 1976 (u’v’) 色彩空间上的色品变化均须在离加权平均点0.006的范围内。 最大灯直径 不超过目标灯直径 最大总长度（简称“MOL”） 不超过目标灯的最大总长度 最小中心光束强度 PAR和MR16灯 请链接到以下在线工具： MR16灯 www.energystar.gov/ia/products/lighting/iledl/IntLampCenterBeamTool.zip 流明维持率 在工作25,000小时后> 70%流明维持率 (L70) 快速循环应力测试 循环时间必须为2分钟开，2分钟关。灯将在L70寿命期间每2小时循环一次。 表4: 针对MR16灯的能源之星要求 如图1所示，我们使用能源之星中心光束强度基准工具 (Integral LED Lamp Center Beam Intensity Benchmark Tool) 来确定光束 孔径角为25°的20W等效MR16灯需要达到876 cd的中心光束光强（简称“CBCP”）。 能源之星®整体LED灯中心光束强度基准工具 (Integral LED Lamp Center Beam Intensity Benchmark Tool) MR-16灯 目标卤素灯参数 输入额定灯瓦数： 输入额定光束孔径角*： 20 25 876 cd 最小中心光束强度： 术语 瓦 度 系数 瓦 光束孔 径角 20 25 截点 8.2926932 瓦 0.0685006 光束孔径角 -0.109284 瓦2 -0.000514 光束孔径角 2 0.0008734 均方根误差 0.247998 预计的Log Log CBCP 中心光束发光 二标准 强度（简称 差下限 “CBCP”） 7.271 6.775 预计的 CBCP 1438 CBCP 二标准 差下限 876 *依照ANSI C78.379-2006的额定光束孔径角：美国国家灯类标准--反光灯光束型式分类。 参见第4.1节“额定光束孔径角分类”以及第4.3节“PAR和R灯的光束孔径角公差”。 图1: 光束孔径角为25°的20W等效MR16灯的能源之星中心光束强度基准工具输出 4 同前，表7C 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 4 XLamp XB-D MR16参考设计 2. 确定设计目标 本项目的目标是采用XLamp XB-D LED制作一款光束孔径角为25°的20W等效MR16室内聚光灯。表5列出了本项目的设计目标。 特性 单位 最低目标 预定目标 中心光束光强 (CBCP) - 光束孔径角为25° cd 876 880 光输出 lm 280 > 280 功率 W 5 <5 光效 lm/W 70 75 寿命 小时 50,000 50,000 相关色温 (CCT) K 3,000 3,000 显色指数 (CRI) 100点尺度 > 80 表5: 设计目标 3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率 LED System Comparison Report 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。5对于280流明的目标，我们估算光效为90%，驱动电源 效率为85%。我们还估算焊点温度为65 °C。 System: 1 280 Target Lumens : 90% Optical Efficiency: LED 1 电流 (A) 型号 光通量 价格 系统LED数量 LED 2 Model Cree XLamp XB-D {AWT} Tsp (ºC) Q3 [93.9] $ 65 Flux Price - 系统总流明 系统瓦数 (none) Tj (ºC) $ 25 - 系统流明/瓦 10 292.6 3.24 90.4 #N/A #N/A #N/A #N/A 7 294.2 3.45 85.2 #N/A #N/A #N/A #N/A 6 325 4 81.3 #N/A #N/A #N/A #N/A 5 328.5 4.22 77.9 #N/A #N/A #N/A #N/A 4 306.7 4.1 74.9 #N/A #N/A #N/A #N/A 4 348.5 4.83 72.1 #N/A #N/A #N/A #N/A 3 291.1 4.18 69.6 #N/A #N/A #N/A #N/A 3 319.5 4.75 67.3 #N/A #N/A #N/A #N/A 3 346.5 5.32 65.1 #N/A #N/A #N/A #N/A 3 372.2 5.9 63.1 #N/A #N/A #N/A #N/A 3 396.8 6.48 61.2 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 280.2 4.71 59.5 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 295.2 5.11 57.8 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 309.6 5.51 56.2 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 323.4 5.91 54.7 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 336.8 6.32 53.3 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 349.6 6.73 52 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 362.2 7.14 50.7 #N/A #N/A #N/A #N/A 2 374.3 7.56 49.5 #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2: 所用LED数量和驱动电流的PCT视图 #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 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 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 1.400 1.500 1.600 1.700 5 可访问以下网址获取PCT：pct.cree.com1.800 1.900 2.000 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 This document is provided for informational purposes only and is not a warranty or a specification. For product specifications, please see the data she Copyright © 2009-2011 Cree, Inc. All rights reserved. The information in this document is subject to change without notice. Cree, the5 Cree logo and XLamp XB-D MR16参考设计 为了保持MR16灯的低成本，我们希望尽量减少LED的使用数量。PCT表明，在400 mA时，3个XB-D LED的光输出超过了设计目标。 经过一些基本的计算，我们估算3个XB-D在380 mA时将产生充足的光输出。 散热要求 由于XB-D LED工作时的输入功率约为4 W，本参考设计的散热要求并不高。约75%的输入功率将被转换为热量，而散热片必须能够消 散这些热量。我们选用了一个市售散热片，并且该散热片同时作为灯的外壳。该散热片是套件的一部分，如图3所示，该套件包括一个金 属光学元件锁紧环和一个塑料驱动电源外壳盖。6 图3: 散热器／外壳套件组件 由于本参考设计的散热需求不是问题，因此我们没有进行散热模拟。但我们用热电偶进行了散热测试，以验证散热片的性能。 驱动电源 这个MR16灯的驱动电源必须放置在灯外壳内。我们决定采用与MR16形态及本设计的电流和电压范围相匹配的市售恒流驱动电源。7 图4: 驱动电源 6 型号：S3.7-MR16，Super Heat Pipe，www.zklhcd.cn 7 型号TXM26-0000-XX，TXM Power公司，www.ledpower.com.cn 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 6 XLamp XB-D MR16参考设计 二次光学元件 虽然有许多不同的光学透镜可用于MR16聚光灯，但本设计针对的是光束孔径角为25°的20W等效灯市场。我们选择了一款由LedLink公 司生产的3合1光学透镜，如图5所示。8 图5: XB-D MR16光学元件 4. 计算所需的LED数量 通过使用Cree的PCT，我们确定了3个XLamp XB-D LED的光输出就足以满足280-lm的设计目标。 5. 考虑所有设计方案 基于LED的MR16灯有多种设计方式。本参考设计旨在证明XB-D LED可使MR16灯具有优异的性能。 XB-D LED提供了广泛的色温范围。我们为本MR16灯设计选用了暖白LED，如表6中突出显示部分所示。通过选用低级别光通量分档的 LED，我们确保了用市场上随处可以买到的LED即可达到本设计的目标。 相关色温 (CCT) 范围 色彩 最小 暖白 2,600 K 最大 3,700 K 基本订货号 最小光通量350 mA时 (lm) 订货号 组 光通量 (lm) Q2 87.4 XBDAWT-00-0000-00000LAE7 Q3 93.9 XBDAWT-00-0000-00000LBE7 Q4 100 XBDAWT-00-0000-00000LCE7 表6: XB-D订货号 6. 完成最后步骤：实施和分析 通过使用上述方法，我们确定了LED、组件和驱动条件的适当组合。本节描述了Cree如何组装MR16灯并显示了设计结果。 8 型号LL03LU-DO25, LedLink Optics公司，www.ledlink-optics.com/productsmodule.aspx 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 7 XLamp XB-D MR16参考设计 原型制作详细信息 1. 我们验证了组件尺寸，以确保正确的匹配。 图6: XB-D MR16灯的组件 2. 通过遵循Cree的XB-D LED焊接和处理应用说明中的建议，利用合适的焊锡膏类型和回流焊接温度，将LED回流焊接到金属核心印刷 电路板（简称“MCPCB”）上，并且用异丙醇 (IPA) 清除焊剂残留物。9 3. 将驱动电源输入线焊接到MCPCB上。 4. 给LED通电以测试连接并验证LED可亮起来。 5. 将一薄层散热膏涂到MCPCB的背面，并用螺丝将它安装到散热片／外壳上。 6. 将LED驱动电源安装到散热片／外壳上并用螺丝将外壳盖固定到散热片／外壳上进行覆盖。 7. 将光学元件放置在LED的MCPCB上，对准定位片，并用金属锁紧环将其固定到散热片／外壳的外缘上。 8. 进行最后的测试。 结果 散热结果 Cree用热电偶来验证电路板的温度，以确认散热片具有充足的散热性能。基于65 °C的实测焊点温度，结点温度(TJ)可计算如下。 TJ = TSP +（LED功率*LED热阻） TJ = 65 °C + (1.3 W * 6.5 °C/W) TJ = 73 °C 9 Cree XLamp XB-D LED焊接和处理，应用说明AP90，www.cree.com/xlamp_app_notes/XBD_SH 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 8 XLamp XB-D MR16参考设计 LED估算寿命 经过在高于实测65 °C TSP的温度下对XB-D LED数千小时的长期测试，Cree预计L70的寿命显著大于本设计中50,000小时的目标。 光学和电气结果 通过在1.5米范围内对30分钟稳定时间过后的XB-D MR16灯进行测试，我们获得了表7中的结果。10 如该表所示，MR16灯超过880-cd 中心光束光强（简称“CBCP”）和280-lm光输出的目标，使用的功率不到5 W。MR16灯也达到能源之星的光效、相关色温和显色指 数要求。 特性 单位 结果 中心光束光强 (CBCP) cd 890 光输出 lm 308 功率 W 4.6 光效 lm/W 67 相关色温 (CCT) K 3110 显色指数 (CRI) 100点尺度 82 mA 380 电流 表7: XB-D MR16灯稳态结果 我们还测试了XB-D MR16灯的光强分布11 图7显示了光束孔径角为27°时均匀的光强分布。 图7: XB-D MR16灯的光强角分布（光束孔径角为27°时） 10测试在Cree的深圳技术中心进行。 11测试使用B类测角计在Cree的深圳技术中心进行。MR16灯的IES文件可访问以下网址查阅： www.cree.com/~/media/Files/Cree/LED%20Components%20and%20Modules/XLamp/XLamp%20Reference%20Designs/ Design%20files/xbd_mr16_ies. 版权所有© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 9 XLamp XB-D MR16参考设计 表8显示了XB-D MR16灯在距离光源不同位置时的照度。 照度 高度 E平均 E最大 E平均 E最大 直径 1m 3.3 ft 53.3 fc 82.3 fc 573.1 lx 886.4 lx 46.6 cm 1.5 ft 2m 6.6 ft 13.3 fc 20.6 fc 143.3 lx 221.4 lx 93.2 cm 3.1 ft 3m 9.8 ft 5.9 fc 9.1 fc 63.7 lx 98.4 lx 139.9 cm 4.6 ft 4.m 13.1 ft 3.3 fc 5.1 fc 35.8 lx 55.3 lx 186.5 cm 6.1 ft 5m 16.4 ft 2.1 fc 3.3 fc 22.9 lx 35.4 lx 233.1 cm 7.7 ft 表8: XB-D MR16灯的照度（光束孔径角为27°时） 结语 本参考设计说明了基于Cree XLamp XB-D LED的MR16灯的出色性能。MR16灯的组件都是市售的，因此无需在设计极高性能灯的过程 中耗费时间和资金来定制部件。小规格的XB-D LED允许采用成本更低、尺寸更小且效率更高的LED驱动电源，并且在诸如MR16灯这样 空间受限的设计中为LED驱动电源和散热片提供了更多的空间。Cree XLamp XB-D LED的照明级性能使其成为基于LED的MR16灯的理 想设计选择。 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灯或光源（包括但不限于不侵犯 Cree或第三方的知识产权的灯或光源）的任何保证或声明，亦不承担任何相关法律责任。如果光源制造商根据任何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© 2012 Cree, Inc.保留所有权利。本文件中的信息若有更改，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 据表。如需了解保修信息，请发送电邮至[email protected]联系Cree销售部。 10