MR16参考设计

Cree® XLamp® MK-R 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 MK-R
六步骤法............................................................... 2
LED采用Cree革命性的SC³ Technology™平台构建而成,
1. 确定照明要求.................................................... 2
能够克服这一挑战,用于制作高流明输出、高照明质量的灯具。
CLD-AP135 REV 0
应用说明
2. 确定设计目标.................................................... 5
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................................... 8
结语...................................................................10
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© 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,EasyWhite™
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XLamp MK-R MR16参考设计
本设计以Cree使用XLamp MT-G、XM-L EasyWhite™、XP-E和XB-D LED制作MR16替换灯的参考设计为基础,展现了将
XLamp MK-R LED作为50瓦等效MR16替换灯的光源以用作室内聚光灯的可行性。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。
•
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。
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率
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。
•
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。
6. 完成最后步骤
表1:
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、能够体现XLamp MK-R LED的性能的50瓦等效改型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-LvEZW 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
CreevXLampvXB-D MR16参考设计,应用说明AP95,www.cree.com/xlamp_ref/xbd_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 MK-R 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)
色彩维持率
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
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:
表3: 能源之星对所有灯的要求
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
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3
XLamp MK-R MR16参考设计
表4总结了能源之星对MR16替换灯的要求。4
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
如图1所示,我们使用能源之星中心光束强度基准工具(ENERGY STAR Center Beam Intensity Benchmark Tool)来确定光束角为
18°的50 W等效MR16灯需要达到3,838 cd的中心光束光强(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*:
最小中心光束强度:
50
18
瓦
度
3838 cd
系数
瓦数
光束
孔径角
截点
8.2926932
50
18
瓦数
0.0685006
术语
2
光束孔径角
8.749
8.253
预计的
CBCP
6302
CBCP
二标准差下限
3838
-0.109284
光束孔径角
瓦数
预计的Log中心
Log CBCP
光束发光强度
二标准差下限
(简称CBCP)
-0.000514
2
均方根误差
0.0008734
0.247998
*额定光束孔径角依据ANSI C78.379-2006: 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:
图1: 光束角为18°的50 W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
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4
XLamp MK-R MR16参考设计
2. 确定设计目标
本项目的目标是采用XLamp MK-R LED制作一款光束角为18°的50 W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)—光束角为18°
cd
3838
4000
光输出
lm
500
> 500
功率
W
7
<7
光效
lm/W
80
> 80
CCT
K
3000
3000
CRI
100点尺度
80
> 80
0.8
> 0.8
功率因数
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
LED System Comparison
我们采用Cree的“产品特性工具”(PCT)来确定本设计的驱动电流。5对于500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70 °C。
System:
1
500
Target Lumens :
90
Optical Efficiency:
LED 1
电流 (A)
型号
0.350
0.400
0.450
0.500
0.550
0.600
0.650
0.700
0.000
Rep
光通量
价格
系统总流明
782.2
879.7
974.5
533.3
577.8
621.2
663.2
704.1
#N/A
LED 2
Model
Cree XLamp MK-R {EZW}
Tsp (ºC)
G2 [780]
$
Flux
Price
-
系统流明/瓦
84.1
82.2
80.5
78.9
77.3
75.8
74.4
73
#N/A
70
系统瓦数
9.3039
10.6962
12.1011
6.7589
7.4722
8.191
8.9139
9.6416
#N/A
(none)
Tj (ºC)
$
2
-
系统LED数量
2
2
2
1
1
1
1
1
#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
图2:
图2: 所用LED数量和驱动电流的PCT视图
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PCT表明,在500 mA时,单个XLamp MK-R LED的光输出超过了设计目标。
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
们选择了具有36个散热翅片的市售铝制散热片,这种散热翅片与MR16的紧凑结构很匹配。该散热片是图3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。6
5 可访问以下网址获取PCT:pct.cree.com
6 型号MR16-HS-MTG-W1,大新精密部品有限公司,www.hztaisun.com
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5
XLamp MK-R MR16参考设计
图3:
图3: 散热片/外壳套件组件
固态温度 (ºC)
Cree对设计进行了热模拟,得出的预计焊点温度为75.5 ˚C。图4显示的是此焊点温度下的热模拟情况。
表面曲线1:轮廓
固态温度 (ºC)
固态温度 (ºC)
表面曲线1:轮廓
表面曲线1:轮廓
图4:
图4: MK-R MR16热模拟
驱动电源
此款MR16灯的驱动电源必须放置在灯外壳内部。我们使用定制恒流驱动电源(如图5所示),该电源适合安装在MR16外形中,
且与本设计的电流和电压范围相匹配。7
固态温度 (ºC)
表面曲线1:轮廓
7 SZ-WND,www.sz-wnd.com
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6
XLamp MK-R MR16参考设计
图5: MK‑R MR16驱动电源顶部和底部视图
图5:
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,但本设计采用了全内反射(TIR)光学元件,该元件是针对Cree XLamp MT-G LED而
设计,同样适用于MK-R LED。8
图6: MK‑R MR16光学元件顶部和底部视图
图6:
4. 计算所需的LED数量
通过使用Cree的PCT,我们确定,只需一个XLamp MK-R LED即可产生足以满足500-lm设计目标的光。
5. 考虑所有设计方案
这只是基于LED的MR16灯的众多设计方式之一。本参考设计旨在展示XLamp MK‑R LED可赋予MR16灯优异的性能。
MK-R LED具有宽广的色温范围。我们为本MR16灯设计选用了暖白光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 型号10755,Carclo plc,www.carclo-optics.com/index.html
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7
XLamp MK-R MR16参考设计
基本订购代码
2阶分档LED订购代码
最小光通量
色彩
通量(lm)
通量(lm)
(85 °C时)
(25 °C*时)
H2
900
1044
G4
840
974
H2
900
1044
组
5000 K
4500 K
G4
840
974
H2
900
1044
50H
色度区域
MKRAWT-00-0000-0D0HH250H
G4
840
974
H2
900
1044
840
974
G4
840
974
MKRAWT-00-0000-0D0HG440H
MKRAWT-00-0000-0D0HG440F
MKRAWT-00-0000-0D0HH235H
MKRAWT-00-0000-0D0HH235F
35F
MKRAWT-00-0000-0D0HG435H
MKRAWT-00-0000-0D0HG430H
780
905
MKRAWT-00-0000-0D0HG230H
780
905
MKRAWT-00-0000-0D0HG227H
27H
730
MKRAWT-00-0000-0D0HH240F
40F
G2
F4
MKRAWT-00-0000-0D0HG445F
MKRAWT-00-0000-0D0HH240H
G2
2700 K
MKRAWT-00-0000-0D0HH245F
45F
MKRAWT-00-0000-0D0HG445H
30H
847
MKRAWT-00-0000-0D0HH250F
MKRAWT-00-0000-0D0HG450F
MKRAWT-00-0000-0D0HH245H
35H
G4
50F
MKRAWT-00-0000-0D0HG450H
40H
3500 K
3000 K
色度区域
45H
4000 K
80-CRI
EasyWhite
4阶分档LED订购代码
(700 mA时)
CCT范围
MKRAWT-00-0000-0D0HG435F
30F
MKRAWT-00-0000-0D0HG430F
MKRAWT-00-0000-0D0HG230F
MKRAWT-00-0000-0D0HG227F
27F
MKRAWT-00-0000-0D0HF427H
MKRAWT-00-0000-0D0HF427F
表6: MK-R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MK-R
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。9
3. 在MCPCB的背面涂抹薄薄一层导热化合物,10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. 散热片将光学元件支架固定到位。将光学元件支架插入到散热片前侧,并将全内反射(TIR)透镜卡入到光学元件支架中。
8. 进行最后的测试。
9 Cree XLamp MT系列和MK-R LED焊接和处理,应用说明AP75,www.cree.com/xlamp_app_notes/MT_SH
10Arctic Silver,www.arcticsilver.com/arctic_silver_thermal_adhesive.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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8
XLamp MK-R 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78.9 °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 = 78.9 °C + (7 W * 1.7 °C/W)
TJ = 90.8 °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MK-R MR16灯进行测试,我们获得了表7中的结果。11如此表所示,灯超过500-lm的光输
出目标,使用的功率只有7 W。此外,MR16灯也达到能源之星的光效、相关色温和显色指数要求。
XLamp MK-R LED规格比Cree MR16灯初步参考设计中所用的MT-G LED要小38%。MK-R的光源尺寸更小,使得其光束角比MT-G
MR16灯窄33%。在零售应用中,MK-R MR16将更为畅销。
细心的读者会发现MK-R MR16灯的中心光束光强使其仅相当于一盏49.1‑W灯,未达到50 W的等效目标。要达到50 W的中心光束光强
目标,我们建议采取两种方式。
1. 使用较高通量分档中的XLamp MK-R LED。还有几种备选方案。
2. 提高灯的工作电流。图2中的PCT结果表明,将电流提高到550 mA可以提供足以满足中心光束光强目标的光输出。MK-R 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。
特性
单位
结果
中心光束光强(CBCP)
cd
3778
光输出
lm
565
功率
W
7
光效
lm/W
81
CCT
K
3102
CRI
100点尺度
82
0.85
功率因数
表7:
表7: MK-R MR16灯稳态结果
我们还测试了MK-R MR16灯的光强分布。12 图7显示了光束角为18°时均匀的光强分布。
11测试在Cree的深圳技术中心进行。
12测试在C r e e 的深圳技术中心使用A 类测角计进行。M R 1 6 灯的I E S 文件可访问以下网址查阅:w w w. c r e e . c o m / x l a m p _ a p p _ n o t e s /
MK-R_MR16_ies。
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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[email protected],联系Cree销售部。
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XLamp MK-R MR16参考设计
图7: MK-R MR16灯的光强角分布(光束角为18°时)
图7:
表8显示了MK-R MR16灯在距离光源不同位置时的照度。
高度
照度
Eavg
Emax
Eavg
Emax
直径
1m
3.3 ft
222.4 fc
356.8 fc
2394 lx
38411 lx
30.5 cm
1.0 ft
2m
6.6 ft
55.6 fc
89.2 fc
598.5 lx
960.1 lx
60.9 cm
2.0 ft
3m
9.8 ft
24.7 fc
39.6 fc
266.0 lx
426.7 lx
91.4 cm
3.0 ft
4m
13.1 ft
13.9 fc
22.3 fc
149.6 lx
240.0 lx
121.8 cm
4.0 ft
5m
16.4 ft
8.9 fc
14.3 fc
95.8 lx
153.6 lx
152.31 cm
5.0 ft
表8:
表8: MK-R MR16灯的照度(光束角为18°时)
结语
本参考设计展现了基于Cree XLamp MK-R LED的MR16灯的杰出性能。此MR16灯的狭窄光束角和中心光束光强使其特别容易吸引人们
关注零售应用中的商品。Cree XLamp MK-R LED专门针对定向照明应用进行了优化,具有照明级性能,是基于LED的MR16灯的可靠设
计方案。
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XLamp MK-R MR16参考设计
材料清单
组件
订购代码/型号
公司
Web链接
SZ-WND
www.sz-wnd.com
散热片/外壳、灯座、光学元件支架
MR16-HS-MTG-W1
大新精密部品有限公司
www.hztaisun.com
LED
MKRAWT-00-0000-0D0HG230F
Cree, Inc.
www.cree.com/XLamp/MKR
光学元件
10755
Carclo, plc
www.carclo-optics.com/index.html
散热环氧树脂
ASTA-7G
Arctic Silver, Inc.
www.arcticsilver.com/arctic_silver_thermal_ adhesive.htm
驱动电源
表9:
表9: MK-R MR16灯材料清单
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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