SMD RGB LED LTSA-E35BCEGBW Datenblatt - 12mm Gehäuse - 5V Versorgung - ISELED Protokoll - Technische Dokumentation

1. Produktübersicht

Dieses Dokument erläutert die Spezifikationen eines hochleistungsfähigen, oberflächenmontierbaren RGB LED-Moduls für anspruchsvolle Kfz-Zubehörbeleuchtungen. Das Bauteil integriert rote, grüne und blaue LED-Chips mit einem dedizierten Treiber-IC, der das ISELED-Digitalkommunikationsprotokoll unterstützt. Diese Integration ermöglicht eine präzise Farbsteuerung, das Hintereinanderschalten mehrerer Einheiten und erweiterte Funktionen wie die Temperaturkompensation direkt im LED-Gehäuse.

1.1 Kernmerkmale und Vorteile

Der Hauptvorteil dieses Produkts ist die Kombination aus hoher LED-Leuchtkraft und intelligenter digitaler Steuerung in einem kompakten SMD-Gehäuse. Zu den wichtigsten Merkmalen zählen:

• Digitale serielle Schnittstelle:Nutzt einen bidirektionalen, halbduplex ISELED-konformen seriellen Kommunikationsbus mit 2 Mbit/s. Dies ermöglicht eine präzise 8-Bit-Helligkeitssteuerung für jeden Farbkanal und erlaubt das Verbinden von bis zu 4079 Geräten in einer einzigen Kette, was die Verkabelung in komplexen Beleuchtungssystemen vereinfacht.
• Integrierte Intelligenz:Der onboard Treiber-IC übernimmt die PWM-Erzeugung für die Farbmischung und verfügt über einen integrierten ADC zur Temperaturmessung. Er wendet automatisch eine Kompensation auf den Treiberstrom der roten LED an, um eine konstante Lichtleistung über den gesamten Betriebstemperaturbereich zu gewährleisten.
• Automobiltaugliche Robustheit:Die Komponente ist gemäß AEC-Q102 für die LED-Chips und AEC-Q100 für den Treiber-IC qualifiziert. Sie ist für die Feuchtigkeitsempfindlichkeit nach JEDEC Level 2 vorbereitet und mit bleifreien Infrarot-Reflow-Lötverfahren kompatibel.
• Design für die Fertigung:Geliefert auf 12mm Band auf 7-Zoll-Spulen, ist das Gehäuse mit Standard-Automatikbestückungs- und Lötgeräten kompatibel und erleichtert so die Serienfertigung.

1.2 Zielmarkt und Anwendungen

Der primäre Zielmarkt ist die Automobilindustrie, insbesondere für Innen- und Außen-Zubehörbeleuchtungen, bei denen zuverlässige Leistung, präzise Farbsteuerung und Vernetzbarkeit erforderlich sind. Mögliche Anwendungsfälle sind Ambientebeleuchtung, Statusanzeigen und dekorative Beleuchtungselemente.

2. Technische Parameter: Detaillierte objektive Analyse

2.1 Absolute Maximalwerte und Betriebsbedingungen

Das Verständnis der Betriebsgrenzen ist entscheidend für ein zuverlässiges Design. Das Gerät arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 4,5V bis 5,5V, die Nennspannung beträgt 5,0V. Der Umgebungsbetriebstemperaturbereich ist mit -40°C bis +110°C spezifiziert, die maximale Sperrschichttemperatur beträgt 125°C. Das Gerät ist für eine ESD-Festigkeit von 2 kV ausgelegt (HBM, Klasse H1C nach AEC-Q101-001). Die Lagerung sollte im Bereich von -40°C bis +125°C erfolgen.

2.2 Lichttechnische und optische Eigenschaften

Die optische Leistung wird bei einer Sperrschichttemperatur von 25°C unter Vollhelligkeitsbefehlen gemessen. Zu den wichtigsten Kennwerten gehören:

• Lichtstärke:Die typische Lichtstärke für die einzelnen Farben beträgt 530 mcd für Rot (622 nm dominante Wellenlänge), 1180 mcd für Grün (527 nm) und 90 mcd für Blau (461 nm). Wenn alle drei Farben maximal angesteuert werden (Weißlicht), beträgt die kombinierte typische Lichtstärke 1800 mcd.
• Farbcharakteristika:Die typischen Farbwertkoordinaten für Weißlicht sind x=0,3127, y=0,3290, was dem D65-Weißpunkt entspricht. Der Abstrahlwinkel (2θ1/2) beträgt 120 Grad und bietet ein breites, diffuses Lichtmuster, das sich für Flächenbeleuchtung eignet.
• Toleranzen:Die Lichtstärke hat eine Toleranz von ±10 %, die dominante Wellenlänge ±1 nm und die Farbwertkoordinate ±0,01. Dies sind Standardtoleranzen für mittlere bis hochleistungsfähige LEDs.

2.3 Elektrische und thermische Eigenschaften

Die elektrischen Eigenschaften zeigen den Leistungsverbrauch und die Anforderungen an das thermische Management des Geräts.

• Stromaufnahme:Der durchschnittliche Stromverbrauch variiert je nach Farbe. Typische Werte sind 26,7 mA für Rot, 20,5 mA für Grün und 10,0 mA für Blau, wenn jede Farbe einzeln mit maximaler Helligkeit betrieben wird. Der Treiber-IC selbst verbraucht einen typischen Ruhestrom (I_drv) von 1,2 mA.
• Thermischer Widerstand:Der thermische Widerstand von der LED-Sperrschicht zum Lötpunkt (Rth_JS) ist ein kritischer Parameter für die Wärmeableitung. Typische Werte sind 70,3 °C/W für den roten Chip, 71 °C/W für Grün und 61,7 °C/W für Blau. Diese Werte werden auf einem FR4-Substrat mit einer 16mm² großen Kupferfläche gemessen. Ein ordnungsgemäßes thermisches Leiterplattendesign ist unerlässlich, um die Sperrschichttemperatur unter dem Maximum von 125°C zu halten, insbesondere wenn mehrere Farben gleichzeitig oder bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben werden.

2.4 Einschalt-Reset und Kommunikationsschnittstelle

Das Gerät verfügt über eine Einschalt-Reset-Schaltung mit einem typischen Schwellwert von 4,2V (min 4,0V, max 4,4V). Die serielle Kommunikationsschnittstelle verwendet differenzielle Signalübertragung an den Pins SIO_P und SIO_N, wobei die Spannungspegel dem Vcc-Versorgungsbereich (4,5V bis 5,5V) entsprechen.

3. Analyse der Leistungskurven

3.1 Temperaturabhängigkeit der Lichtstärke

Die bereitgestellten Diagramme zeigen die relative Lichtstärke (normalisiert auf den Wert bei 25°C) in Abhängigkeit von der Sperrschichttemperatur für jede Primärfarbe und für Weiß. Eine wichtige Beobachtung ist der signifikante Abfall der Intensität der roten LED bei steigender Temperatur, was eine bekannte Eigenschaft von AlInGaP-Materialien ist. Dies unterstreicht die Bedeutung der integrierten Temperaturkompensationsfunktion, die den PWM-Tastgrad für Rot anpasst, um diesen Rückgang auszugleichen und die Farbstabilität zu erhalten.

3.2 Temperaturabhängigkeit der Farbart

Zusätzliche Diagramme zeigen die Verschiebung der Farbwertkoordinaten (ΔCx, ΔCy) mit der Sperrschichttemperatur. Diese Verschiebungen sind für die roten und blauen Kanäle am ausgeprägtesten. Die Daten bilden eine Grundlage für das Verständnis der Farbdrift im unkompensierten Betrieb und heben den Wert der Onboard-Kompensation und das Potenzial für eine systemweite Farbkalibrierung über die digitale Schnittstelle hervor.

4. Mechanische und Gehäuseinformationen

4.1 Gehäuseabmessungen und Umriss

Das Gerät verwendet ein oberflächenmontierbares Gehäuse. Die Maßzeichnung zeigt den physischen Bauraum und die Höhe. Alle kritischen Abmessungen sind in Millimetern mit einer allgemeinen Toleranz von ±0,2 mm angegeben, sofern nicht anders angegeben. Die Linse ist diffundiert, um den breiten Abstrahlwinkel von 120 Grad zu erreichen.

4.2 Pinbelegung und Funktion

Das Gerät hat eine 8-Pin-Konfiguration:

1. PRG5:Masse (für LED-Fertigung/Test).
2. SIO1_N:Serielle Kommunikation Master-Seite, negative differentielle Leitung.
3. SIO1_P:Serielle Kommunikation Master-Seite, positive differentielle Leitung.
4. GND:Masse (Pin 4).
5. GND:Masse (Pin 5).
6. SIO2_P:Serielle Kommunikation Slave-Seite, positive differentielle Leitung (zum Hintereinanderschalten).
7. SIO2_N:Serielle Kommunikation Slave-Seite, negative differentielle Leitung.
8. Vcc_5V:IC-Stromversorgung (5V).

Die doppelten Massepins (4 & 5) und die separaten Kommunikationsports ermöglichen eine robuste Stromverteilung und ein einfaches Hintereinanderschalten mehrerer Geräte.

5. Löt- und Montagerichtlinien

5.1 IR-Reflow-Lötprofil

Ein empfohlenes Reflow-Profil für bleifreies Löten wird bereitgestellt, das J-STD-020B entspricht. Das Profil legt wichtige Parameter fest, einschließlich Vorwärmung, Haltephase, Reflow-Spitzentemperatur (maximal 260°C für 10 Sekunden) und Abkühlraten. Die Einhaltung dieses Profils ist entscheidend, um thermische Schäden an den LED-Chips, dem Treiber-IC und den internen Bonddrähten zu verhindern und so die Langzeitzuverlässigkeit sicherzustellen.

5.2 Handhabungs- und Lagerhinweise

Das Gerät ist für JEDEC Level 2 vorbereitet. Das bedeutet, die feuchtigkeitsempfindlichen Komponenten werden getrocknet und mit einem Trockenmittel verpackt. Sobald der versiegelte Trockenbeutel geöffnet ist, müssen die Bauteile innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (typischerweise 1 Jahr bei<10 % relativer Luftfeuchtigkeit oder kürzere Zeiten bei höherer Luftfeuchtigkeit) montiert oder gemäß den Herstelleranweisungen erneut getrocknet werden, um ein \"Popcorning\" während des Reflow-Lötens zu verhindern.

6. Funktionsbeschreibung und Systemarchitektur

6.1 Überblick über das interne Blockschaltbild

Das Funktionsblockschaltbild zeigt ein integriertes System. Der Kern ist ein \"Main Unit\"-Mikrocontroller, der die Kommunikation, PWM-Erzeugung und Systemfunktionen verwaltet. Er empfängt Befehle über die ISELED-Serialschnittstelle. Drei unabhängige, konfigurierbare Konstantstromsenken treiben die Anoden der roten, grünen und blauen LEDs an (Low-Side-Ansteuerung). Ein integrierter Analog-Digital-Wandler (ADC) misst periodisch die Gerätetemperatur über einen internen Sensor. Diese Daten werden von der Main Unit verwendet, um den PWM-Tastgrad für die rote LED dynamisch anzupassen und deren thermischen Abfall zu kompensieren. Der ADC kann auch beauftragt werden, andere analoge Werte zu messen. Ein One-Time Programmable (OTP) nichtflüchtiger Speicher speichert individuelle Gerätekalibrierungsdaten (z. B. für LED-Durchlassspannungsvariationen), die beim Einschalten in Register geladen werden.

6.2 PWM und Kommunikationsprotokoll

Die Helligkeit für jede Farbe wird über Pulsweitenmodulation (PWM) mit 8-Bit-Auflösung (256 Stufen) gesteuert. Das ISELED-Protokoll übernimmt die Übertragung dieser Helligkeitswerte, die Geräteadressierung und das Zurücklesen von Statusinformationen (wie Temperatur). Die bidirektionale Natur ermöglicht Diagnosekommunikation, um die Anwesenheit und den Zustand von Geräten in einer Kette zu überprüfen.

7. Anwendungsvorschläge und Designüberlegungen

7.1 Typische Anwendungsschaltungen

In einer typischen Anwendung würde ein Host-Mikrocontroller mit einem ISELED-Transceiver an die SIO1_P/N-Pins der ersten LED in einer Kette angeschlossen. Die SIO2_P/N-Pins dieser LED werden mit den SIO1_P/N-Pins der nächsten LED verbunden und so weiter. Eine einzelne 5V-Stromversorgungsleitung, die ausreichend mit lokalen Kondensatoren entkoppelt ist, versorgt alle LEDs in der Kette. Das Leiterplattenlayout muss niederohmige Masseverbindungen und ein ordnungsgemäßes thermisches Management gewährleisten, indem ausreichend große Kupferflächen verwendet werden, die mit den Massepins und dem thermischen Pad (falls im Footprint vorhanden) des Geräts verbunden sind, um Wärme abzuleiten.

7.2 Designüberlegungen

• Thermisches Management:Berechnen Sie die erwartete Verlustleistung (P = Vcc * I_gesamt) und verwenden Sie den thermischen Widerstand (Rth_JS), um den Temperaturanstieg über dem Leiterplattenlötpunkt abzuschätzen. Stellen Sie sicher, dass das Leiterplattendesign diese Wärme effektiv ableiten kann, um Tj<125°C.
• Stromversorgung:Die 5V-Versorgung muss stabil sein und den Spitzenstrom für die gesamte LED-Kette liefern können. Berücksichtigen Sie den Einschaltstrom beim Einschalten.
• Signalintegrität:Für lange Ketten oder in elektrisch gestörten Umgebungen (wie im Automobil) sollten bewährte Methoden für das Routing von Differenzpaaren (Längenabgleich, möglichst kontrollierte Impedanz) für die SIO-Leitungen befolgt werden.

8. Technischer Vergleich und Differenzierung

Im Vergleich zu traditionellen analogen RGB LEDs bietet dieses Gerät erhebliche Vorteile:Präzision:Digitale Steuerung eliminiert Farbvariationen, die durch Durchlassspannungsunterschiede und Toleranzen analoger Treiber verursacht werden.Einfachheit:Reduziert die Anzahl der Steuerleitungen von mehreren PWM-Leitungen pro LED auf ein einziges Differenzpaar für eine ganze Kette.Intelligenz:Integrierte Temperaturkompensation und im OTP gespeicherte Kalibrierung gewährleisten eine konsistente Leistung ohne komplexe externe Schaltungen.Diagnose:Der bidirektionale Bus ermöglicht eine systemweite Zustandsüberwachung. Der Hauptnachteil ist die erhöhte Komplexität der Software für das digitale Kommunikationsprotokoll im Vergleich zur einfachen PWM-Erzeugung.

9. Häufig gestellte Fragen (basierend auf technischen Parametern)

F: Wie viele dieser LEDs kann ich in Reihe schalten?

A: Bis zu 4079 Geräte können über die ISELED-Schnittstelle in einer einzigen Daisy-Chain verbunden werden.

F: Funktioniert die Temperaturkompensation automatisch?

A: Ja, der interne Treiber-IC misst automatisch die Temperatur und passt den PWM-Tastgrad der roten LED an, um eine konstante Lichtstärke zu erhalten. Dies ist eine Hardware-Funktion, die unabhängig vom Host-Controller arbeitet.

F: Was ist der Zweck des OTP-Speichers?

A: Der OTP speichert individuelle Kalibrierungsdaten für jedes Gerät, wie z. B. Trim-Werte für die Stromsenken oder Farbkalibrierungskoeffizienten. Dies ermöglicht eine sehr einheitliche Leistung aller Einheiten in einer Produktionscharge.

F: Kann ich einen 3,3V-Mikrocontroller zur Kommunikation mit der 5V-LED verwenden?

A: Die SIO-Pins arbeiten auf dem Vcc-Pegel (4,5-5,5V). Eine direkte Verbindung mit einem 3,3V-Logikgerät ist möglicherweise nicht zuverlässig. Ein Pegelwandler oder ein ISELED-Transceiver-IC, der für einen niedrigeren Betriebsspannungsbereich ausgelegt ist, wäre erforderlich.

10. Praktisches Anwendungsbeispiel

Szenario: Ambientebeleuchtung für Automobiltürverkleidungen.Ein Designer möchte eine mehrzonige, farbwechselnde Ambientebeleuchtung entlang der Türverkleidung und der Armlehne implementieren. Mit dieser LED kann er eine lange Kette von LEDs (z. B. 50 Stück) erstellen, die von einem einzigen ISELED-Master im Türmodul gesteuert wird. Jede LED kann einzeln adressiert oder gruppiert werden. Der Host kann Befehle senden, um beliebige Farben oder dynamische Lichtmuster einzustellen. Die integrierte Temperaturkompensation stellt sicher, dass die Rotintensität stabil bleibt, selbst wenn sich die Türverkleidung durch Sonneneinstrahlung erwärmt, und verhindert so eine unerwünschte Farbverschiebung in Richtung Blau/Grün. Die Daisy-Chain-Verkabelung reduziert die Anzahl der benötigten Drähte im Vergleich zu einer parallelen RGB+Treiber-Lösung drastisch, vereinfacht das Kabelbaumdesign und senkt Kosten und Gewicht.

11. Einführung in das Funktionsprinzip

Das Gerät arbeitet nach einem Mixed-Signal-Prinzip. Der digitale Kern empfängt serielle Daten, decodiert Befehle und setzt Register, die die PWM-Tastgrade für drei unabhängige Hardware-PWM-Generatoren definieren. Diese PWM-Signale treiben Low-Side-MOSFETs an, die als Konstantstromsenken für die LEDs fungieren. Der Strompegel für jeden Kanal ist intern festgelegt (wahrscheinlich durch die OTP-Kalibrierung eingestellt). Die analoge Frontend umfasst den Temperatursensor, dessen Spannungsausgang vom ADC digitalisiert wird. Die digitale Logik verwendet diese Temperaturmessung, um eine vordefinierte Kompensationskurve anzuwenden und den Rot-PWM-Registerwert in Echtzeit zu ändern. Diese geschlossene Regelung (Temperatur messen, Ansteuerung anpassen) erfolgt autonom innerhalb des Geräts.

12. Technologietrends und Kontext

Dieses Produkt ist Teil eines klaren Trends in der LED-Beleuchtung: der Übergang von analogen zu digitalen, intelligenten Knoten. Das ISELED-Protokoll ist ein spezifisches Ökosystem, das für die Automobilbeleuchtung entwickelt wurde und mit anderen Standards wie SPI-basierten adressierbaren LEDs (z. B. WS2812B) oder Automotive Ethernet konkurriert. Die Integration von Sensorik (Temperatur) und Verarbeitung direkt in das LED-Gehäuse ermöglicht \"Smart Lighting\", bei dem jeder Lichtpunkt individuell kalibriert, überwacht und gesteuert werden kann. Dies erleichtert erweiterte Funktionen wie vorausschauende Wartung (Erkennung von LED-Degradation), komplexe adaptive Lichtmuster und nahtlose Farbabstimmung über verschiedene Materialien und Produktionschargen hinweg. Der Fokus auf AEC-Q-Qualifizierung und robuste Kommunikation macht es für die rauen elektrischen und umweltbedingten Bedingungen von Automobilanwendungen geeignet, einem wichtigen Wachstumsbereich für fortschrittliche LED-Technologie.