MR16参考设计

Cree® XLamp® XQ-D LED
MR16参考设计
目录
前言
前言.................................................................... 1
MR16结构紧凑，用于驱动电子元件和散热的空间有限，对于
设计方法／目标...................................................... 2
基于LED的设计，具有相当大的挑战性。Cree XLamp XQ-D
六步骤法............................................................... 2
LED采用Cree革命性的SC³ Technology™新一代平台构建而
1. 确定照明要求.................................................... 2
CLD-AP155 REV 0
应用说明
成，能够克服这一挑战，用于制作高效、高照明质量的灯具。
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........................................... 6
5. 考虑所有设计方案.............................................. 6
6. 完成最后步骤：实施和分析................................... 7
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。
®
®
版权所有©
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、XLamp®及EasyWhite
均为Cree, Inc.的注册商标，
版权所有
©2013
2010Cree,
Cree,
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Inc.的注
SC3 Technology™ Platform为Cree, Inc.的商标。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
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[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.
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Durham, NC 27703
美国电话：+1.919.313.5300
XLamp XQ-D MR16参考设计
本设计以Cree使用XLamp MT-G、XM-L EasyWhite™、XP-E、XB-D和MK-R LED制作MR16替换灯的参考设计为基础，展现了将
XLamp XQ-D LED作为20瓦等效MR16替换灯的光源以用作室内泛光灯的可行性。1
设计方法／目标
在“LED灯具设计指南”2 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、能够体现XLamp XQ-D LED的性能且光输出相当于20瓦卤素灯的改型MR16灯。
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
2
Cree XLamp MT-G MR16参考设计，应用说明AP62，www.cree.com/xlamp_ref/mtg_mr16
Cree XLamp XM-L EZW MR16参考设计，应用说明AP71，www.cree.com/xlamp_ref/xml_ezw_mr16
Cree XLamp XP-E MR16参考设计，应用说明AP76，www.cree.com/xlamp_ref/xpe_mr16
Cree XLamp XB-D MR16参考设计，应用说明AP95，www.cree.com/xlamp_ref/xbd_mr16
Cree XLamp MK-R MR16参考设计，应用说明AP 135，www.cree.com/xlamp_ref/MKR_MR16
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 XQ-D MR16参考设计
重要性
关键
特性
单位
光强度—中心光束光强（CBCP）
坎德拉（cd）
光束角—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
每瓦流明数（lm/W）
外形
重要
价格
美元
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:
表2：针对MR16灯分级排列的设计准则
表3总结了能源之星®对所有整体式LED灯的要求。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阶色度四边形和Duv公差一致。
标称CCT
相关色温（CCT）和偏差（Duv）
2700
3000
3500
4000
K
K
K
K
目标CCT（K）和公差
2725
3045
3465
3985
±
±
±
±
145
175
245
275
目标Duv和公差
0.000
0.000
0.000
0.001
±
±
±
±
0.006
0.006
0.006
0.006
色彩维持率
在最小流明维持率测试期间（6000小时内），色度变化应在CIE 1976（u’, v’）图中的0.007以内。
CRI
最小显色指数（Ra）为80。R9的值必须大于0。
允许使用的灯座
必须是符合ANSI标准的灯座。
功率因数
灯功率<5 W并且是低压灯：无最低功率因数要求
灯功率>5 W：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
-20 °C或以下
LED工作频率
≥ 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。
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）
可听噪音
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。
工作电压
灯具应在120、240、277 VAC标称额定电压或12、24 VAC/VDC电压下工作。
表3：能源之星对所有灯的要求
表3:
表4总结了能源之星对MR16替换灯的要求。4
3
4
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
同前，表7C
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3
XLamp XQ-D MR16参考设计
标准项
能源之星要求
定义
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
最小光效
灯直径<20/8英寸：40 lm/W
灯直径>20/8英寸：45 lm/W
色彩空间均匀度
在光束角区域内的色度变化与CIE 1976（u’v’）图中加权平均点的偏差应在0.006以内。
最大灯直径
不超过目标灯直径
最大总长度（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
MR16灯
请链接到以下在线工具：
www.energystar.gov/ia/products/lighting/iledl/IntLampCenterBeamTool.zip
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
循环时间必须为2分钟开，2分钟关。灯在L70寿命内每2小时开关一次。
表4:
表4：能源之星对MR16灯的要求
2. 确定设计目标
本项目的目标是采用XLamp XQ-D LED制作一款光束角为40°的20 W等效MR16室内泛光灯。我们使用能源之星中心光束强度基准工具，
确定此类灯具需要提供的中心光束光强（CBCP）。5 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）—光束角为40°
cd
398
> 398
光输出
lm
200
> 200
功率
W
3.3
< 3.3
光效
lm/W
75
> 75
CCT
K
4000
4000
CRI
100点尺度
80
> 80
表5:
表5：设计目标
5
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4
XLamp XQ-D MR16参考设计
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率
1
我们采用Cree的“产品特性工具”（PCT）来确定本设
LED 1
计的驱动电流。 6 对于200流明的目标，我们估算光效为
型号
60 °C。
PCT表明，在300 mA时，3个XLamp XQ-D LED的光输
出超过了设计目标，如图1所示。
电流 (A)
90%，驱动电源效率为85%。我们还估算焊点温度为
0.150
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
0.450
光通量
价格
系统总流明
222.4
230.4
210.1
245.4
278.9
207
227.1
Cree XLamp XQ-D {WT}
Tsp (ºC)
R2 [114]
$
-
系统流明/瓦
89.9
85.8
82.2
78.9
76
73.3
70.8
60
系统瓦数
2.474
2.685
2.556
3.109
3.671
2.826
3.208
系统LED数量
5
4
3
3
3
2
2
图1： 所用LED数量和驱动电流的PCT视图
图1:
散热要求
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。此外，本设计中的散热片还必须充当其他灯组件的机械外壳。我
们选择了一个与MR16紧凑结构相匹配的市售铝制散热片。该散热片是图2所示套件的一部分，该套件还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。7
图2：散热片／外壳套件组件
图2:
鉴于本设计为低功率水平设计，我们相信此款典型铝制散热片足以满足散热要求，因此没有进行热模拟。我们测量了散热片的散热性能，
并获得满意的结果。
6
7
可访问以下网址获取PCT：pct.cree.com
型号MR16-C-5W，东莞市洛斯旺照明有限公司，www.loswan.cn
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5
XLamp XQ-D MR16参考设计
驱动电源
此款MR16灯的驱动电源必须放置在灯外壳内部。我们使用与MR16外形及本设计的电流和电压范围相匹配的恒流驱动电源（如图3
所示）。8
图3：
图3: XQ-D MR16驱动电源
二次光学元件
本设计使用针对聚光灯和泛光灯而设计的现有全内反射（TIR）光学元件。9
图4: XQ-D MR16光学元件
图4：
4. 计算所需的LED数量
通过使用Cree的PCT，我们确定，只需三个XLamp XQ-D LED即可产生足以满足200-lm设计目标的光。
5. 考虑所有设计方案
XQ-D LED具有宽广的色温范围。我们为本MR16灯设计选用了中性白LED，如表6中突出显示部分所示。通过选用中级通量分档的
LED，我们确保了使用市场上随处可以买到的LED即可达到本设计的目标。
8
9
型号TM24-0000-350，深圳市天下明电源有限公司公司，www.ledpower.com.cn
型号LL01CR-D040，Ledlink Optics, Inc.，www.ledlink-optics.com
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6
XLamp XQ-D MR16参考设计
CCT范围
色彩
最小值
冷白
最低70-CRI冷白光
中性白
最低80-CRI白
暖白
5000 K
5000 K
3700 K
2600 K
2600 K
最大值
8300 K
8300 K
5000 K
4300 K
3700 K
基本订购代码
最小光通量
（350 mA时）
计算的最小光
通量（lm）*
订购代码
组
通量（lm）
700 mA
R4
130
227
XQDAWT-00-0000-00000LG51
R3
122
213
XQDAWT-00-0000-00000LF51
R2
114
199
XQDAWT-00-0000-00000LE51
R4
130
227
XQDAWT-00-0000-00000BG51
R3
122
213
XQDAWT-00-0000-00000BF51
R2
114
199
XQDAWT-00-0000-00000BE51
R3
122
213
XQDAWT-00-0000-00000BFE5
R2
114
199
XQDAWT-00-0000-00000BEE5
Q5
107
187
XQDAWT-00-0000-00000LDE5
Q4
100
172
XQDAWT-00-0000-00000HCE7
Q3
93.9
164
XQDAWT-00-0000-00000HBE7
Q2
87.4
153
XQDAWT-00-0000-00000HAE7
Q4
100
172
XQDAWT-00-0000-00000LCE7
Q3
93.9
164
XQDAWT-00-0000-00000LBE7
Q2
87.4
153
XQDAWT-00-0000-00000LAE7
表6: XQ-D订购代码
表6：
6. 完成最后步骤：实施和分析
通过使用上述方法，我们确定了为满足设计目标，组件和驱动条件的理想组合。本节介绍Cree如何组装MR16灯，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. 遵循Cree的XLamp XQ-D LED焊接和处理应用说明中的建议，我们使用相应的焊膏，根据回流温度曲线，将LED回流焊接到金属
芯印刷电路板（MCPCB）上，并用异丙醇（IPA）清除焊剂残留物。10
3. 在MCPCB的背面涂抹薄薄一层导热化合物，11 并用螺丝将MCPCB固定到散热片/外壳上。
4. 将驱动电源输出线穿过散热片中的孔并焊接到MCPCB端接焊盘上。
5. 给LED通电以测试连接并验证LED可点亮。
6. 将LED驱动电源安装到驱动电源外壳／灯座中，并将其卡入到散热片中。此外，也可以使用粘合剂将灯座固定到散热片上。
7. 将光学元件插入到散热片前侧，将光学元件上的销在MCPCB上对齐，并将透镜支架环卡入到散热片上以固定光学元件。
8. 进行最后的测试。
10
11
Cree XLamp XQ系列LED焊接和处理，应用说明AP115，www.cree.com/xlamp_app_notes/XQ_SH
Silver Ice 710NS，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
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7
XLamp XQ-D MR16参考设计
结果
散热结果
Cree使用热电偶验证电路板的温度，以确认散热片具有充足的散热性能。根据52.8 °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 = 52.8 °C +（1.1 W * 7.5 °C/W）
TJ = 61.1 °C
光学和电气结果
通过在1.5米范围内对60分钟稳定时间过后的XQ-D MR16灯进行测试，我们获得了表7中的结果。12 如此表所示，灯超过398-cd中心光
束光强（CBCP）和200-lm光输出的目标，使用的功率只有3.3 W，比20 W灯节能83%。此外，该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
455
光束角
度
40
光输出
lm
262
功率
W
3.3
光效
lm/W
79
CCT
K
4021
CRI
100点尺度
83
0.7
功率因数
表7：
表7: XQ-D MR16灯稳态结果
全内反射（TIR）光学元件可用于制作18°和25°两种版本的XQ-D MR16灯，而且我们制作这两种版本时只需改变光学元件即可。这两
种版本都超过本项目中200‑lm的光输出目标，但未达到CBCP目标。我们建议采用两种方式来达到针对这两个光束角的CBCP目标。
1. 使用较高通量分档中的XLamp XQ-D LED。还有几种备选方案。
2. 提高灯的工作电流，这需要使用不同的驱动电源。XQ‑D MR16的散热结果表明其中有足够的散热空间，可以达到这一散热效果。
我们还测试了XQ-D MR16灯的光强分布。13 图5、图6和图7显示此灯的每个版本均具有均匀的光强分布。
12 测试在Cree的深圳技术中心进行。
13 测试在Cree的深圳技术中心使用A类测角计进行。
MR16灯的IES文件可访问以下网址查阅：www.cree.com/xlamp_app_notes/XQD_MR16_15_ies、www.cree.com/xlamp_app_notes/
XQD_MR16_25_ies和www.cree.com/xlamp_app_notes/XQD_MR16_40_ies。
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8
XLamp XQ-D MR16参考设计
图5：
图5: XQ-D MR16灯的光强角分布（光束角为18°时）
图6：
图6: XQ-D MR16灯的光强角分布（光束角为25°时）
图7: XQ-D MR16灯的光强角分布（光束角为40°时）
图7：
表8显示了XQ-D MR16灯每个版本的色彩均匀度，这也证明使用此组件可以获得良好的混色效果。将每个MR16灯均指向1.5米外的投
影屏幕。我们使用高敏感度成像色度计对光输出的空间均匀度进行了评估，并使用测角光辐射计对色彩角均匀度进行了评估。14 显示的照
度为：
•
全彩，显示真实色彩的相对亮度分布，一图带计算机绘制的等照度图，一图不带计算机绘制的等照度图。
•
假色，显示相对亮度分布，其中等照度图通过使用彩虹色进行了放大。
14 辐射成像测量在Cree的圣巴巴拉技术中心进行。
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9
XLamp XQ-D MR16参考设计
照度，全彩
照度，全彩，等照度图
照度，假色
XQ-D MR16，
18°光束角
XQ-D MR16，
25°光束角
XQ-D MR16，
40°光束角
表8: XQ-D MR16照度比较，显示混色均匀
表8：
表9显示了XQ-D MR16灯在距离光源不同位置时的照度。
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10
XLamp XQ-D MR16参考设计
高度
照度
Eavg
Emax
Eavg
Emax
直径
1m
3.3 ft
27.4 fc
42.2 fc
294.4 lx
453.7 lx
70.7 cm
2.3 ft
2m
6.6 ft
6.8 fc
10.5 fc
73.6 lx
113.4 lx
141.3 cm
4.6 ft
3m
9.8 ft
3.0 fc
4.7 fc
32.7 lx
50.4 lx
212.0 cm
7.0 ft
4m
13.1 ft
1.7 fc
2.6 fc
18.47 lx
28.4 lx
282.7 cm
9.3 ft
5m
16.4 ft
1.1 fc
1.7 fc
11.8 lx
18.2 lx
353.3 cm
11.6 ft
表9：
表9: XQ-D MR16灯的照度（光束角为40°时）
结语
本参考设计展现了基于Cree XLamp XQ-D LED的20 W等效MR16灯的出色性能。XQ-D LED尺寸小是设计紧凑型MR16灯的独特优势。
采用陶瓷封装的XLamp XQ-D LED性能可靠，有助于降低与零售应用中所用MR16泛光灯相关的维护成本。Cree XLamp XQ-D LED
的照明级性能使其成为基于LED的MR16灯的可行设计方案。
材料清单
组件
订购代码／型号
公司
Web链接
驱动电源
TM24-0000-350
LED Power Inc.
www.ledpower.com.cn
散热片/外壳、灯座、光学元件支架
MR16-C-5W
东莞市洛斯旺照明有限公司
www.loswan.cn
LED
XQDAWT-00-0000-00000BEE5
Cree, Inc.
www.cree.com/xqd
光学元件
LL01CR-BD15/BD25/D040
Ledlink Optics, Inc.
www.ledlink-optics.com
导热化合物
Silver Ice 710NS
Timtronics
www.timtronics.com/
electricallyconductive.htm
表10: XQ-D MR16灯材料清单
表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、XLamp®及EasyWhite®均为Cree, Inc.的注册商标，SC3 Technology™ Platform为Cree, Inc.
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