XLamp XT-E高压白光LED E17参考设计

Cree XLamp XT-E 高压白光 LED E17 参考设计 应用说明 技术文章 CLD-AP128 rev 0 目录前言... 1 设计方法 / 目标...2 六步骤法...2 1. 确定照明要求... 3 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. 考虑所有设计方案并从中选出最佳方案... 8 6. 完成最后步骤... 8 结语... 10 材料清单... 10 前言本参考设计详细介绍了采用 Cree XLamp XT-E 高压白光 (HVW)LED 的小尺寸烛台装饰灯 此类灯多用于小台灯 装饰灯和吊扇灯, 在日本特别受欢迎 使用 XLamp XT-E HVW LED 时, 可以安装一个小型 高效的驱动电源, 这在设计空间有限的灯具时尤为有用 除了针对非定向灯和小型 LED 替换灯进行优化之外,XT-E HVW LED 还具有体型小巧的特点, 其大小只有高压 LED 阵列的 1/15 乃至 1/40, 能够轻松集成到小尺寸灯内 ( 如本文介绍的 E17 灯 ) XT-E HVW LED 拥有世界一流的光效和非定向照明轮廓, 是高光效改型灯的理想选择 www.cree.com/xlamp 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 ) 的任何保证或声明, 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. 的注册版权所有 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 商标 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 上提供的数据手册 如需了解保修信息, 请发送电子邮件至 sales@cree.com, 联系 Cree 销售部 Cree, Inc. 4600 Silicon Drive Durham, NC 27703 美国电话 :+1.919.407.5300

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 1 所有 Cree 参考设计均采用该框架, 下文 1 中 则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 明确会对设计造成影响的任何其他目标, 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 设计目标将对光学系统 热系统和电气系统设定限制 的效率 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 在任何设计中, 都有许多方法可实现各个目标 方案 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 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 1: Cree 六步骤框架 六步骤法 此方法专门针对亚洲市场, 生产与 B10 灯大小相似的 E17 灯 1 所示为小尺寸 E17 灯与 A19 灯的对比 1: E17 灯 ( 左 ) 与 A19 灯 ( 右 ) 的比较 1 LED 灯具设计指南, 应用说明 AP15,www.cree.com/xlamp_app_notes/luminaire_design_guide 2

1. 确定照明要求 2 列出了 E17 参考设计需要考虑的特性, 并按重要性顺序排列 重要性特征单位 关键 重要 光通量 流明 (lm) 光效 流明每瓦 (lm/w) 发光分布 色彩均匀度 外形尺寸 价格 $ 寿命 小时 工作温度 C 工作湿度 相对湿度百分比 相关色温 (CCT) K 显色指数 (CRI) 100 点尺度 2: 针对 E17 改型灯分级排列的设计准则 虽然能源之星 要求不直接适用于本参考设计, 但这些要求在制定设计目标时十分有用 3 总结了能源之星对整体式 LED 灯提出的要求 2 特性 要求灯的下列指定 CCT( 依照 ANSI C78.377-2008) 之一必须与如下 7 阶色品四边形和偏差公差一致 标称 CCT 目标 CCT(K) 和公差 目标偏差和公差 色温 (CCT) 及偏差 (Duv) 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 在流明维持率测试期间 (6000 小时内 ), 在 CIE 1976(u, v ) 色彩空间上的色度变化均须在 0.007 的范围内 显色指数 (CRI) 最小 CRI(Ra) 为 80 R9 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 保修期 3 年 允许使用的灯座 必须是符合 ANSI 标准的灯座 功率因数 功率 < 5 W 的灯和低压灯 : 无最低 PF 功率 > 5 W 的灯 :PF > 0.70 最低工作温度 -20 C 或更低 120 Hz LED 工作频率 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 用于消费用途时, 必须符合相关的 FCC 要求 (FCC 47 CFR 第 15 部分 ) 可闻噪声 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 灯具应在 120 240 277 VAC 额定标称电压或 12 24 VAC/VDC 电压下工作 3: 能源之星对整体式 LED 灯的要求 2 能源之星 对整体式 LED 灯的计划要求, 资格标准 版本 1.4, 4 www.energystar.gov/ia/partners/product_specs/program_reqs/integral_led_lamps_program_requirements.pdf 3

4 总结了能源之星对非标准灯提出的要求 3 标准项目最小光效最小光输出快速循环应力测试流明维持率快速循环应力测试 能源之星要求 功率 < 10 W 的 LED 灯 :50 lm/w 功率 10 W 的 LED 灯 :55 lm/w 200 流明无需特定分布 必须提交显示灯具发光强度分布的测角光度报告 工作 25000 小时时的流明维持率 70%(L70) 循环时间 : 开 2 分钟, 关 2 分钟 灯在 L 70 寿命内每 2 小时开关一次 4: 能源之星对非标准灯的要求 由于本参考设计专门针对亚洲市场, 因此我们借鉴了韩国 KSC7651 标准 4 和日本 JIS C 7501 5 标准, 现摘录于下文中的 5 和 6 CCT(K) CCT 公差 (K) 显色指数 (CRI) 6500 7040-6020 70 5700 6020-5310 70 5000 5310-4745 70 4500 4745-4260 70 4000 4260-3710 70 3500 3710-3220 70 3000 3220-2870 70 2700 2870-2580 70 5: 韩国 KSC7651 标准摘录 摘自日本标准 : 功率 光通量 25 W 230 lm 40 W 440 lm 50 W 600 lm 60 W 760 lm 75 W 1000 lm 100 W 1430 lm 6: 日本 JIS C 7501 标准摘录 3 Ibid., 6 4 KSC7651 www.standard.go.kr/code02/user/0b/03/serks_view.asp# 5 JIS C 7501 www.techstreet.com/cgi-bin/basket?action=add&item_id=3749386 4

2. 确定设计目标在许多日常用途中, 客户主要关注的是灯在 0 至 90 区域内的发光分布 另外, 客户还希望色彩和亮度能够均匀分布 能源之星对 90 至 180 区域内发光分布的要求以及对驱动电源 25000 小时寿命的要求都很难实现, 超出本参考设计在性能与成本之间取得平衡的考量范围 更进一步说, 本设计的目标是雪锥式改型灯 根据上述信息, 7 列出了本项目的设计目标 特性 单位 最低目标 预定目标 光输出 lm 400 > 400 光效 lm/w 60 > 60 功率 W 7 < 7 色温 (CCT) K 3000 3000 显色指数 (CRI) 100 点尺度 80 > 80 功率因数 0.9 > 0.9 7: 设计目标 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 ( 简称 PCT ) 来确定本设计的驱动电流 对于 400 流明的目标, 我们估算光效为 87%, 驱动电源效率为 92% 我们还估算焊点温度为 95 C 如 8 中所示的 PCT 输出明, 在 40 ma 时,3 个 XT-E HVW LED 的光输出足以满足设计目标 型号 LED 1 Cree XLamp XT-E {HVW} 电流 (A) 通量 Q5 [107] Tsp (ºC) 95 价格 $ - SYS # LED SYS lm tot SYS W SYS lm/w 0.034 4 506.26 6.935 73 0.036 4 528.71 7.374 71.7 0.038 3 412.88 5.862 70.4 0.040 3 428.76 6.194 69.2 0.042 3 444.3 6.528 68.1 0.044 3 459.27 6.863 66.9 0.046 3 473.81 7.198 65.8 8: 带有 XT-E HVW 数据的 PCT 输出 5

散热要求 本参考设计中的散热片不仅必须消散由 XLamp XT-E HVW LED 产生的热量, 还必须为 LED 光学元件 驱动电源和底座提供机械框 架 如 2 所示, 我们将市售套件中的驱动电源改成由氧化铝散热片 / 外壳 塑料螺旋底座和聚碳酸酯柔光罩组成 6 2: XT-E HVW E17 散热片 / 外壳套件柔光罩 ( 左 ) 散热片/ 外壳 ( 中 ) 塑料螺旋底座( 右 ) 为验证本散热设计的效用, 我们进行了热模拟 3 显示了灯总成的模拟热成像 模拟焊点温度 (T SP ) 为 94 C 7 固态温度 [ºC] 曲面 1: 轮廓 固态温度 [ºC] 曲面 1: 轮廓曲面 2: 轮廓 3: XT-E HVW E17 灯的稳态热模拟 6 型号 AL 6063,Losiwang,www.losiwang.com.cn 7 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 6

驱动电源电子元件 此灯体型小巧, 仅有有限的空间用于安装驱动电源 如 4 所示, 选择高压 LED 时, 可以使用定制的小型 (30 mm x 20 mm x 20 mm) 高效 (92%) 恒流驱动电源 8 4: XT-E HVW E17 驱动电源 使用 XLamp XT-E HVW LED 时, 可以使用更小 更高效的驱动电源, 这仅仅是该高压组件的众多优势之一 虽然小型驱动电源在这种 小尺寸灯中特别有用, 但仍有许多理由去选择高压 LED 而不是低压组件 高压设计的主要优势是能够使用更高效的驱动电源, 因为从交流输入线电压转换为 LED 驱动电压只有很小的损耗 XLamp XT-E HVW LED 通过 UL 认证, 可以使用比隔离型驱动电源体型更小巧的非隔离式驱动电源 高压设计中驱动电源组件的工作温度比低压设计中驱动电源组件的工作温度更低, 这样不仅可以提高驱动电源的可靠性, 还能延长驱动电源的工作寿命 高压设计中驱动电源组件的数量小于低压设计中驱动电源组件的数量 因此, 在批量生产中, 高压设计的驱动电源成本低于低压设计的驱动电源成本 4. 计算所需的 LED 数量 为满足设计目标, 我们在 E17 灯中选用了 3 个 XLamp XT-E HVW LED XT-E HVW LED 出色的光输出和光效, 使得寥寥几个 LED 便能产生足以满足设计目标的光输出 XLamp XT-E HVW LED 提供了丰富多样的通量和颜色选择 我们为 E17 灯选择暖白光 LED, 如 9 所示 通过选用中级光通量分档的 LED, 我们确保了仅需使用市场上随处可得的 LED 即可实现本设计的目标 8 Fangguang Electronic,www.fgest.com 7

颜色 色温 (CCT) 范围 最小值最大值组 基本订购代码最小值光通量 (22 ma 时 ) 通量 (lm) (85 C 时 ) 通量 (lm) (25 C 时 ) 订购代码 冷白 5000 K 8300 K 中性白 3700 K 5000 K 暖白 2600 K 3700 K R4 130 150 XTEHVW-Q0-0000-00000LG51 R5 139 161 XTEHVW-Q0-0000-00000LH51 Q5 107 124 XTEHVW-Q0-0000-00000LDE5 R2 114 132 XTEHVW-Q0-0000-00000LEE5 Q4 100 116 XTEHVW-Q0-0000-00000LCE7 Q5 107 124 XTEHVW-Q0-0000-00000LDE7 9: XT-E HVW 订购代码 5. 考虑所有设计方案并从中选出最佳方案 本设计将 3 个 XLamp XT-E HVW LED 并联, 每个 LED 只消耗 40 ma 电流 尽管只用了寥寥 3 个 XT-E HVW LED, 其高流明输出仍使得 此 E17 灯能够满足其设计目标 6. 完成最后步骤 本节介绍了 Cree 用于组装 E17 灯的技术, 并将实际效果与我们的目标进行了比较 原型制作详细信息 1. 验证组件尺寸, 以确保正确的匹配 2. 遵照 Xamp XT 系列 LED 的建议, 9 我们使用相应的焊锡膏, 根据回流温度曲线将 XT-E HVW LED 回流焊接到并联的金属芯印刷电路板 (MCPCB) 上 3. 使用异丙醇清洁焊剂残留物 4. 在 MCPCB 的背面涂抹一层薄薄的导热化合物, 10 并用螺丝将 MCPCB 固定到散热片上 5. 将驱动电源直流输出线从散热片 / 外壳的孔中穿出, 并焊接到 MCPCB 上相应的端接焊盘 6. 给 LED 通电以测试连接并验证 LED 可亮起来 7. 将驱动电源输入线焊接到 E17 螺旋底座 5 所示为最后总装前的灯 5: 最后总装前的 XT-E HVW E17 灯 9 Cree XLamp XT 系列 LED 焊接和处理, 应用说明 AP107,www.cree.com/xlamp_app_notes/XT_SH 10 ASTA-7G,Arctic Silver, Inc.,www.arcticsilver.com 8

8. 将驱动电源放置在散热片 / 外壳上, 并用螺丝将灯座固定到外壳上 9. 用螺丝将柔光罩固定到灯壳上 10. 进行最后的测试 结果 散热结果 为验证散热片的散热性能, 我们使用热电偶来测量 93 C 时的稳态焊点温度 此散热性能与热模拟情况一致 基于实测焊点温度, 结点温度 (T J ) 可计算如下 T J = T SP +(LED 功率 *LED 热阻 ) T J = 93 C +(6.2 W)/3 * 6.5 C/W) T J = 106 C LED 估算寿命我们采用环境保护署 (EPA) 的 TM-21 计算器来确定在 44-mA 输入电流 93 C 面温度条件下 XLamp XT-E HVW LED 的计算寿命和报告寿命 11 Cree 的 XT-E HVW LM-80 数据集在 55 C 85 C 和 105 C 条件下的持续有效时间为 6048 小时 TM-21 方法将预测寿命限定为 LM-80 数据集持续有效时间的六倍 对于 XT-E HVW LED, 报告的 L70(6k) 寿命超过 36000 小时, 计算的 L70(6k) 寿命为 165000 小时, 因此我们预计 XT-E HVW E17 灯的 L70 寿命会轻松超过 25000 小时 ( 每个 LED 均在 40 ma 的电流下工作 ) 光学和电气结果 10 显示了 XT-E HVW E17 灯在 60 分钟稳定时间之后的性能 12 此灯符合上文摘录的韩国和日本标准, 并轻松超过能源之星 50/55 lm/w 的光效要求 特性 单位 结果 光输出 lm 426 光效 lm/w 68.7 功率 W 6.2 色温 (CCT) K 3134 显色指数 (CRI) 82 功率因数 0.9 光强度 - 中心光束光强 (CBCP) 坎德拉 (cd) 120 光束孔径角 - 半高全宽 (FWHM) 度 ( ) 115 10: XT-E HVW E17 灯的性能 11 能源之星 TM-21 计算器可通过以下网址获取 :www.energystar.gov/tm-21calculator 12 测试在 Cree 的深圳技术中心使用 1.5 米积分球和 A 类测角计进行 9

6 所示为 XT-E HVW E17 改型灯的光强角分布 从设计上说, 雪锥 灯在 正向导引 方面要强于非定向灯 FWHM 光束角为 115 我们认为, 在对 90 至 180 区域内的光线没有严格要求的照明应用中, 该角度在定向灯的可接受范围内 6: XT-E HVW E17 灯的光强角分布 结语本设计展示了将 Cree XLamp XT-E HVW LED 集成到符合亚洲市场要求的 E17 改型灯的容易程度 在本应用中,XT-E HVW LED 可以正常工作 XT-E HVW LED 具备出色的光效和光分布, 配有可产生无热点 照明均匀的柔光罩 与此同时,XT-E HVW LED 只消耗 6 W 的能源, 预计寿命可轻松超过 25000 小时 本设计展示了 Cree XLamp XT-E HVW LED 可实现的性能水平, 但绝不是设计基于 XT-E HVW LED 的优质 E17 灯的唯一方式 材料清单 组件 订货号 / 型号 公司 网址 驱动电源 方光电子 www.fgest.com 底座 柔光罩 散热片套件 Losiwang www.losiwang.com.cn LED XTEHVW-Q0-0000-00000LDE7 Cree, Inc. www.cree.com/xte-hvw 导热化合物 ASTA-7G Arctic Silver, Inc. www.arcticsilver.com 11: XT-E HVW E17 灯的材料清单 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 ) 的任何保证或声明, 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 10