PAR38参考设计

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Cree XLamp CXA1512 LED
PAR38参考设计
目录
前言
前言......................................................................1
本应用说明详细介绍了使用Cree XLamp CXA1512 LED制
设计方法／目标. . . . . ................................... . . . . . . 2
作100瓦等效PAR38替换灯的设计。CXA1512 LED经过专门
六步骤法.. . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . . . 2
的优化，可以简化诸如此PAR38灯等定向照明应用的设计。
CLD-AP159 REV 0
应用说明
技术文章
1. 确定照明要求.. . .................................. . . . . . . 2
2. 确定设计目标.. . .................................. . . . . . . 4
本设计以Cree使用XLamp XT‑E、MT‑G2和MK-R LED制作
3. 估算光学系统、热系统和电气系统的效率.. ....... . . . . . . . 4
PAR38替换灯的参考设计为基础，展现了将XLamp CXA1512
4. 计算所需的LED数量............................. . . . . . . . 7
LED作为100瓦等效PAR38替换灯的光源以用作室内聚光灯
5. 考虑所有设计方案. ............................... . . . . . . 7
的可行性。1
6. 完成最后步骤.. . .................................. . . . . . . 7
结语... . . . . . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . . 10
特别鸣谢.. . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . . 10
材料清单.. . . . . . . . . . . . ................................. . . . . . . 10
1
www.cree.com/XLamp
C r e e   X L a m p   X T- E   P A R 3 8 参 考 设 计 ， 应 用 说 明 A P 9 4 ，
www.cree.com/xlamp_ref/xte_par38
Cree XLamp MT-G2 PAR38参考设计，应用说明AP117，
www.cree.com/xlamp_ref/mtg2_par38
C r e e  X L a m p  M K- R  PA R 3 8 参考设计，应用说明AP 137 ，
www.cree.com/xlamp_ref/mkr_par38
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
© 2010 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
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。
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。
Cree, Inc.
4600 Silicon Drive
Durham, NC 27703
美国电话：+1.919.407.5300
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
设计方法／目标
在“LED灯具设计指南”应用说明中，Cree提出了一个用于制作LED灯具的六步骤框架。2所有Cree参考设计均采用该框架，表1中简要
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
本项目的目标是展示有种易于实施、高输出、窄光束的灯可以替换当前市场上的卤素PAR38灯，说明使用XLamp CXA1512 LED即可制
作名副其实的100瓦等效PAR38 LED灯。Cree将本项目定为改型项目，因此本应用说明中所制作的PAR38灯可充分利用PAR38灯具的
已安装灯座。3
1. 确定照明要求
表2列出了本参考设计中CXA1512 PAR38灯的设计需要考虑的重要特性。
2
3
LED灯具设计指南，应用说明AP15，www.cree.com/xlamp_app_notes/luminaire_design_guide
生产和成本优化的实施不在本文件讨论范围之内。
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。
2
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
重要性
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（°）
电功率
瓦（W）
光通量
流明（lm）
光效
lm/W
关键
外形
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
重要
灯与灯之间的一致性
功率因数
可制造性
表2: 针对PAR38灯分级排列的设计准则
表2：
表3总结了能源之星®对所有整体式LED灯的要求。4
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。
调光
灯可以为可调光或非调光。产品封装必须清楚说明灯为可调光还是不可调光。生产合格可调光产品的制造商必须维护一个网页，
用于提供调光器兼容性信息。
可调光灯的最小光效、光输出、相关色温、显色指数和功率因数将在灯以最大功率运行时进行确认。
保修
必须为灯提供保修服务，其中应涵盖自购买之日起至少三（3）年内提供材料维修或更换服务。
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
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
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3
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
特性
要求
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: 能源之星对所有整体式LED灯的要求
表4总结了能源之星对PAR替换灯的要求。5
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
PAR灯最小中心光束强度
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PAR灯的要求
2. 确定设计目标
表5列出了本项目的设计目标。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19°的100瓦等效PAR38灯所需的最低中心光束光强（CBCP）。6
特性
单位
最低目标
预定目标
光输出
lm
1500
> 1500
中心光束光强（CBCP）—光束角为19°
cd
6738
> 6738
光效
lm/W
65
> 65
功率
W
21
< 21
CCT
K
3000
3000
CRI
100点尺度
80
> 80
表5: CXA1512 PAR38灯设计目标
表5：
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。7 对于1500流明的目标，我们估算光效为87%，驱动电源效率为
90%。我们还估算表面温度为60 °C。PCT表明，在500 mA时，1个XLamp CXA1512 LED的光输出就超过了设计目标，如图1中黄色
突出显示部分所示。
5
6
7
同前，表7C
www.energystar.gov/ia/products/lighting/iledl/IntLampCenterBeamTool.zip
可访问以下网址获取PCT：pct.cree.com
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4
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
1
LED 1
型号
Tj (ºC)
M2 [1380]
电流 (A)
光通量
Cree XLamp CXA1512 LES 9r {EZW}
系统LED数量 系统总流明
0.400
0.450
0.500
0.550
0.600
2
2
1
1
1
价格
$
2700.4
2935.8
1569.7
1652.9
1715
60
-
系统流明/瓦
79.7
75.7
71.8
67.8
63.9
系统瓦数
33.865
38.765
21.869
24.37
26.859
图1：
图1: 带有CXA1512数据的PCT结果
散热要求
XLamp CXA1512 LED在选定的500 mA输入电流下的工作功率约为21瓦，需要散热片进行散热。在基于LED的PAR38设计中，散热
片不仅必须消散由LED产生的热量，而且还必须为LED、反光杯、驱动电源和底座提供机械框架。此外，要成为名副其实的PAR38改
型灯，抛物面反光杯规格必须合适，能够装进ANSI标准外壳（如ANSI C78.24-2001中所定义）。8 为了简化设计，我们采用了定制
PAR38套件，其中包括散热片、光学元件支架、驱动电源外壳/螺丝灯座和盖玻片，如图2所示。9
图2：
图2: CXA1512 PAR38套件——从左到右：光学元件支架、散热片、驱动电源外壳/螺丝灯座
Cree对设计进行了热模拟，得出的预计表面温度（Tc）为62 °C。模拟结果如图3所示，图中所示为25 °C环境温度下灯的两幅视图。
我们保守地假设LED将25%的输入功率转换为光，将75%的输入功率转换为热量。10
8 www.nema.org/stds/c78-24.cfm
9 型号PAR38-HS-CXA-W1，大新精密部品有限公司，www.hztaisun.com
10 如需有关热管理的更多信息，请参阅Cree XLamp LED热管理应用说明，AP05，www.cree.com/xlamp_app_notes/thermal_management
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5
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
图3: CXA1512 PAR38灯的热模拟
图3：
驱动电子元件
所有基于LED的PAR38灯设计都面临一个挑战，即将驱动电子元件装入面
积相对较小的底座。由于标准PAR38灯是将线电压直接接到灯上，因此本
设计中的驱动电源必须将插座的输入电压转换为500‑mA电流源，用于工作
功率约为21 W的CXA1512 LED。Cree选择了一款恒流驱动电源（如图4
所示），该驱动电源能够安装到驱动电源外壳中，且与本设计的电流和电压
范围相匹配。11
图4：
图4: CXA1512 PAR38的驱动电源
二次光学元件
我们选择了一款市售反光杯（如图5所示），该反光杯可以装入标准PAR38外壳并产生
所需的光束角和CBCP。12 基线CBCP性能通过能源之星整体式LED灯中心光束强度基准
工具（Integral LED Lamp Center Beam Intensity Benchmark Tool）予以确定。
图5: CXA1512 PAR38的反光杯
图5：
11 型号RGD500MA66VA2，方光电子科技有限公司，www.fgest.com/
12 型号R-1-19，大新精密部品有限公司，www.hztaisun.com
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6
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
4. 计算所需的LED数量
本参考设计表明一个XLamp CXA1512 LED即可赋予PAR38灯优异的性能。
CXA1512 LED具有宽广的色温和通量范围。我们为本PAR38灯设计选用了暖白光LED，如表6中突出显示部分所示。
CCT
范围
最小值
80
3000 K
基本订购代码
最小光通量
（350 mA时）
CRI
90
93
典型值
---
---
95
2阶分档LED订购代码
组
通量（lm）
（85 °C时）
通量（lm）
（25 °C*时）
K2
1200
1359
色度区域
4阶分档LED订购代码
色度区域
CXA1512-0000-000N00K230H
30H
30F
K4
1290
1461
M2
1380
1563
CXA1512-0000-000N00M230H
CXA1512-0000-000N00M230F
H2
900
1019
CXA1512-0000-000N0UH230H
CXA1512-0000-000N0UH230F
H4
970
1099
J2
1040
1178
H2
900
1019
H4
970
1099
J2
1040
1178
30H
CXA1512-0000-000N00K430H
CXA1512-0000-000N00K230F
CXA1512-0000-000N0UH430H
30F
CXA1512-0000-000N0UJ230H
CXA1512-0000-000N0YH430H
CXA1512-0000-000N0YJ230H
CXA1512-0000-000N0UH430F
CXA1512-0000-000N0UJ230F
CXA1512-0000-000N0YH230H
30H
CXA1512-0000-000N00K430F
CXA1512-0000-000N0YH230F
30F
CXA1512-0000-000N0YH430F
CXA1512-0000-000N0YJ230F
表6: CXA1512 LED订购代码
表6：
5. 考虑所有设计方案
这只是基于LED的PAR38灯的无数种设计方式之一。可散热且能够装入ANSI所定义之标准PAR38外壳的散热片也有众多设计方式。
驱动LED和设计光学元件的方式也有许多种。本参考设计制作一款具有名副其实的100-W卤素PAR38替换灯所需性能的灯。
本参考设计的主要目的是为了表明采用Cree XLamp CXA1512 LED进行设计的简单性。本应用说明并不是为了表明这样做的唯一
方式，而是为了证明在这些工程技术限制下也可轻松实施，以及CXA1512 LED可实现的性能。
6. 完成最后步骤
本节介绍了使用XLamp CXA1512 LED来制作可行PAR38灯原型的技术并显示了设计结果。
原型制作详细信息
本设计的本质是将Cree XLamp CXA1512 LED安装到散热片上并围绕它们组装必要的光学元件和驱动电源，以制作名副其实的100瓦
卤素等效PAR38灯。组装步骤详述如下。
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7
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
1. 验证组件尺寸，以确保正确的匹配。
2. 在CXA1512 LED的背面涂抹薄薄一层导热化合物，13并将LED安装到散热片上。
3. 将驱动电源输出线穿过散热片中的孔并焊接到LED端接焊盘上。
4. 给LED通电以测试连接并验证LED可点亮。
5. 使用塑料连接器环将LED定位在散热片中心处，并用螺丝将连接器固定到散热片上。
6. 将驱动电源输入线焊接到金属螺丝灯座上。
7. 将LED驱动电源安装到驱动电源外壳上，并用螺丝将外壳固定到散热片上。
8. 将反光杯放置在散热片上，置于LED上方中心位置，将盖玻片置于反光杯上，并将前盖环卡入到散热片上，以将盖玻片和反光杯固
定到位。
9. 进行最后的测试。
结果
散热结果
Cree用热电偶来验证表面温度，以确认散热片具有充足的散热性能。测得的表面温度为61.5 °C，这与热模拟情况几乎完全一致。
光学和电气结果
通过在稳态下内对60分钟稳定时间过后的CXA1512 PAR38灯进行测试，我们获得了表7和下述结果。14 性能超过设计目标，且灯的
CBCP证明其质量达到124瓦等效19°光束角PAR38灯的标准。达到这一光输出所用功率比100瓦卤素灯低近80%。
特性
单位
最低目标
预定目标
结果
光输出
lm
1500
> 1500
1516
中心光束光强（CBCP）—光束角为19°
cd
6738
> 6738
8948
72
光效
lm/W
65
> 65
功率
W
21
< 21
21
CCT
K
3000
3000
3082
CRI
100点尺度
80
> 80
83
0.9
功率因数
表7：
表7: CXA1512 PAR38灯的稳态结果
13
14
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
测试在Cree的深圳技术中心使用2米积分球和A类测角计进行。PAR38灯的IES文件可访问以下网址查阅：www.cree.com/xlamp_app_notes/
CXA1512_PAR38_ies。
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8
Distribution
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
我们还测试了CXA1512
PAR38灯的光强分布，如图6所示。该灯在聚
光灯光束角狭窄时具有均匀的光强分布。
最大CD：337.5°H
22.5°H
0°H
45°H
90°H
67.5°H
图6: CXA1512 PAR38灯的极坐标光强分布图
图6：
表8显示了CXA1512 PAR38灯在距离光源不同位置时的中心光束照度。
高度
中心光束照度
光束宽度
垂直传播
水平传播
Beam Angle
FWHM
0.3 m
1.0 ft
7400 fc
79650 lx
0.1 m
0.3 ft
0.1 m
0.3 ft
0.7 m
2.3 ft
1850 fc
19913 lx
0.2 m
0.7 ft
0.2 m
0.7 ft
1.0 m
3.3 ft
822 fc
8850 lx
0.3 m
1.3 m
4.3 ft
462 fc
4978 lx
1.7 m
5.6 ft
296 fc
3186 lx
0.6 m
2.0 ft
0.6 m
2.0 ft
2.0 m
6.6 ft
206 fc
2213 lx
0.7 m
2.3 ft
0.7 m
2.3 ft
19°
• Distribution
bym SZTC
1.0 ft
0.3
1.0 ft Type-A G
0.4 m
1.3 ft
0.5 m
Copyright
© 2012,
Cree Inc.
1.6 ft
表8: CXA1512 PAR38灯的中心光束照度（光束角为19°时）
表8：
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
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9
XLAMP CXA1512 PAR38参考设计
结语
本参考设计证明使用Cree
XLamp
CXA1512
LED作为PAR38灯的基础来提供性能满足能源之星对100瓦灯光输出要求的灯的简易
程度。本设计将定制散热片与市售组件相匹配，制作一款可有效达成能源之星所述目标的PAR38灯。本文件显示采用单个XLamp
CXA1512 LED组件即可实现和达到该性能水平，当然，这并不是设计一款出色CXA1512 LED PAR38灯的唯一方式。
特别鸣谢
Cree特此感谢大新精密部品有限公司为成功制作本灯原型所给予的合作。
材料清单
组件
订购代码／型号
公司
Web链接
驱动电源
RGD500MA66VA2
方光电子科技有限公司
www.fgest.com
散热片/外壳、光学元件支架、
驱动电源外壳/螺丝灯座、盖玻片套件
PAR38-HS-CXA-W1
大新精密部品有限公司
www.hztaisun.com
LED
CXA1512-0000-000N00M230F
Cree, Inc.
www.cree.com/XLamp/CXA1512
反光杯
R-1-19
大新精密部品有限公司
www.hztaisun.com
导热化合物
Black Ice 712
Timtronics
www.timtronics.com/electricallyconductive.htm
表9：
表9: CXA1512 PAR38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。
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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