LED RGB SMD con Controlador Integrado - Hoja de Datos LTSA-E27CQEGBW - Documento Técnico en Español

1. Descripción General del Producto

El LTSA-E27CQEGBW es un módulo LED RGB de alto rendimiento y montaje superficial, diseñado para ensamblaje automatizado y aplicaciones con limitaciones de espacio. Integra chips LED individuales de color rojo AlInGaP, verde InGaN y azul InGaN dentro de un encapsulado único y compacto. Un diferenciador clave de este producto es la inclusión de un controlador de corriente constante y un CI de control de 8-16 bits y 3 canales integrado, que proporciona funciones avanzadas como control de atenuación PWM, compensación de temperatura y comunicación de datos serie. Esta integración simplifica el diseño del sistema al reducir el número de componentes externos y la huella en la PCB.

El módulo está alojado en un encapsulado con lente difusora, que ayuda a mezclar la luz de los chips de color individuales para producir una salida de color más uniforme y un ángulo de visión más amplio. Se suministra en cinta de 8 mm montada en carretes de 7 pulgadas de diámetro, lo que lo hace totalmente compatible con equipos de ensamblaje automatizado pick-and-place de alta velocidad. El dispositivo está diseñado para cumplir con los estándares de conformidad RoHS y está preacondicionado a nivel JEDEC 2 para una mayor fiabilidad.

1.1 Características y Ventajas Principales

• CI Controlador Integrado:Elimina la necesidad de resistencias limitadoras de corriente y circuitos controladores externos para cada canal de color. El CI integrado proporciona un control de corriente preciso de hasta 60 mA por canal.
• Control Avanzado:Soporta ajuste de corriente de 7 bits por canal y PWM (Modulación por Ancho de Pulso) de hasta 16 bits para una atenuación y mezcla de colores suave y de alta resolución.
• Compensación de Temperatura:Incorpora una función de diagnóstico integrada que mide la temperatura de unión del LED. Estos datos son utilizados por un algoritmo interno para ajustar automáticamente la corriente de accionamiento del chip LED rojo, manteniendo una intensidad luminosa y un punto de color consistentes en un amplio rango de temperatura de funcionamiento (-40°C a +110°C).
• Comunicación Robusta:Utiliza una interfaz de comunicación serie (Entrada/Salida de Reloj, Entrada/Salida de Datos) con protección CRC (Comprobación de Redundancia Cíclica) para una transmisión de datos fiable, especialmente en configuraciones en cascada o entornos ruidosos.
• Protección del Sistema:Incluye una función de temporizador watchdog para evitar el parpadeo del LED que puede ser causado por eventos de conexión en caliente o errores de comunicación.
• Modos de Bajo Consumo:Soporta un modo de reposo para reducir el consumo de energía en espera, lo cual es crítico para aplicaciones alimentadas por batería o de alta eficiencia energética.
• Grado Automotriz:Diseñado con referencia a las directrices AEC-Q102 para semiconductores optoelectrónicos discretos y clasificado para robustez frente a la corrosión (Clase 1B), lo que lo hace adecuado para ciertas aplicaciones de accesorios automotrices.

1.2 Aplicaciones y Mercados Objetivo

Este LED está diseñado para aplicaciones que requieren soluciones de iluminación multicolor fiables, compactas e inteligentes. Sus mercados objetivo principales incluyen:

• Electrónica de Consumo:Indicadores de estado, retroiluminación e iluminación decorativa en dispositivos como smartphones, tablets, portátiles, periféricos de juegos y electrodomésticos.
• Equipos Profesionales e Industriales:Indicadores de panel, luces de estado de máquinas y retroalimentación de interfaz hombre-máquina (HMI) en sistemas de red, paneles de control y equipos de prueba.
• Iluminación Interior Automotriz:Aplicaciones de iluminación interior no críticas, como iluminación ambiental, retroiluminación del salpicadero e indicadores de estado de accesorios, beneficiándose de su estabilidad térmica y comunicación robusta.
• Señalización y Pantallas:Aplicaciones de cartelería interior de baja resolución, pantallas de punto de venta e iluminación arquitectónica decorativa donde se desean capacidades de cambio de color.

2. Análisis de Parámetros Técnicos

La siguiente sección proporciona un análisis detallado y objetivo de los principales parámetros eléctricos, ópticos y térmicos especificados en la hoja de datos. Comprender estos parámetros es crucial para un diseño de circuito adecuado y la predicción del rendimiento.

2.1 Límites Absolutos Máximos

Estos límites definen los umbrales de estrés más allá de los cuales puede ocurrir un daño permanente en el dispositivo. No se garantiza el funcionamiento bajo estas condiciones.

• Tensión de Alimentación del CI (VDD):Máximo 5.5V. Superar esta tensión puede dañar el circuito de control interno.
• Corriente de Salida del LED (Iout):Máximo 60 mA por canal. Esta es la corriente pico absoluta que el controlador de salida puede manejar; las corrientes de funcionamiento típicas son inferiores.
• Temperatura de Unión (Tj):Máximo 125°C. La temperatura de la unión semiconductor dentro del LED o del CI no debe exceder este límite.
• Temperatura de Funcionamiento/Almacenamiento:-40°C a +110°C. El dispositivo puede almacenarse y operarse dentro de este rango completo.
• Soldadura por Reflujo Infrarrojo:Resiste una temperatura pico de 260°C durante un máximo de 10 segundos, lo cual es estándar para procesos de soldadura sin plomo (Pb-free).

2.2 Características Eléctricas y Ópticas

Estos parámetros se miden en condiciones típicas (Ta=25°C, VDD=5V, configuración PWM de 8 bits al valor de color máximo) y definen el rendimiento esperado.

• Tensión de Alimentación (VDD):El rango de funcionamiento recomendado es de 3.3V a 5.5V, con un valor típico de 5.0V.
• Corriente Directa (If):Las corrientes de accionamiento típicas para cada color a brillo máximo son: Rojo: 30 mA, Verde: 46 mA, Azul: 20 mA. Estos valores están establecidos por el controlador interno y pueden ajustarse a través del registro de control de corriente de 7 bits.
• Intensidad Luminosa (Iv):La intensidad luminosa axial típica para cada color primario a corriente máxima es: Rojo: 950 mcd, Verde: 2170 mcd, Azul: 380 mcd. Los valores mínimo y máximo indican la dispersión esperada en la producción. El punto blanco calibrado (combinando los tres colores) tiene una intensidad típica de 3500 mcd.
• Longitud de Onda Dominante (λd):Define el color percibido de cada LED. Los valores típicos son: Rojo: 620 nm, Verde: 525 nm, Azul: 465 nm.
• Coordenadas de Cromaticidad (x, y):Para el punto blanco calibrado, las coordenadas objetivo son x=0.3127, y=0.3290, lo que corresponde al punto blanco estándar D65, utilizado a menudo como referencia para pantallas e iluminación.
• Ángulo de Visión (2θ1/2):120 grados. Este es el ángulo total en el que la intensidad luminosa cae a la mitad de su valor axial. La lente difusora contribuye a este amplio ángulo de visión.

2.3 Características Térmicas

La gestión térmica es crítica para la longevidad y estabilidad del rendimiento del LED.

• Resistencia Térmica, Unión a Punto de Soldadura (Rth JS):Se proporcionan dos valores: Rth JSelec = 63 K/W y Rth JSreal = 73 K/W. El valor "elec" se deriva típicamente de un método de medición eléctrica, mientras que el valor "real" puede representar una estimación más conservadora o práctica de la ruta térmica. Estos valores indican la eficacia con la que el calor viaja desde la unión del LED hasta los puntos de soldadura en la PCB. Un valor más bajo es mejor. Por ejemplo, si el LED está disipando 0.2W, el aumento de temperatura de la unión sobre el punto de soldadura sería aproximadamente 0.2W * 73 K/W = 14.6°C.

3. Binning y Consistencia de Color

La hoja de datos hace referencia a un sistema de clasificación por bins basado en el punto blanco D65 con una tolerancia de 3 elipses de MacAdam (3 pasos). Este es un método estándar en la industria de la iluminación para definir la consistencia del color.

• Elipses de MacAdam:Una elipse de MacAdam en un diagrama de cromaticidad representa una zona dentro de la cual el ojo humano no percibe diferencia de color bajo condiciones de visión estándar. Una elipse de "3 pasos" significa que la variación de color es tres veces el tamaño de la diferencia perceptible más pequeña (una elipse de 1 paso).
• Implicación:Todas las unidades LTSA-E27CQEGBW del mismo lote de producción (o bin especificado) producirán una luz blanca cuyas coordenadas de color caen dentro de una elipse de MacAdam de 3 pasos alrededor del punto D65 (x=0.3127, y=0.3290). Esto asegura una buena uniformidad de color entre diferentes LEDs en una matriz o sistema, lo cual es vital para aplicaciones como retroiluminación o señalización con múltiples LEDs donde un desajuste de color sería notable.

4. Análisis de Curvas de Rendimiento

Las curvas de rendimiento típicas proporcionan información sobre cómo se comporta el dispositivo en condiciones variables.

4.1 Distribución Espectral

El gráfico de Intensidad Relativa vs. Longitud de Onda (Fig.1) muestra el espectro de salida de luz para cada chip de color (Rojo, Verde, Azul). Las observaciones clave incluyen los picos estrechos y bien definidos característicos de los semiconductores LED modernos. El chip rojo AlInGaP típicamente muestra un pico alrededor de 620 nm, el verde InGaN alrededor de 525 nm y el azul InGaN alrededor de 465 nm. El ancho de estos picos (Ancho a Media Altura, o FWHM) influye en la pureza del color.

3.2 Temperatura vs. Rendimiento

La curva de Punto de Ajuste de Color Máx. vs. Temperatura (Fig.2) probablemente ilustra cómo el ciclo de trabajo PWM máximo alcanzable o el punto de ajuste de corriente para un funcionamiento estable pueden cambiar con la temperatura ambiente. Este gráfico es esencial para diseñar sistemas que funcionen de manera fiable en todo el rango de temperatura, asegurando que el CI controlador no entre en apagado térmico o reduzca la salida prematuramente.

4.3 Patrón de Radiación Espacial

El gráfico de Distribución Espacial (Fig.3) representa visualmente el ángulo de visión de 120 grados. Muestra cómo se distribuye la intensidad de la luz en función del ángulo desde el eje central (0 grados). La lente difusora crea un patrón Lambertiano o casi Lambertiano, donde la intensidad es máxima en el centro y disminuye suavemente hacia los bordes, proporcionando una visibilidad uniforme fuera del eje.

5. Información Mecánica y del Encapsulado

5.1 Dimensiones y Tolerancias del Encapsulado

El dispositivo se ajusta a una huella SMD estándar. Todas las dimensiones críticas se proporcionan en milímetros. La tolerancia general para las dimensiones del encapsulado es de ±0.2 mm a menos que una característica específica tenga una indicación diferente. Los diseñadores deben consultar el dibujo mecánico detallado en la hoja de datos para el diseño preciso de las almohadillas, la altura del componente y las dimensiones de la lente, a fin de garantizar un diseño adecuado del patrón de soldadura en la PCB y el espacio libre para los componentes circundantes.

5.2 Configuración y Función de los Pines

El dispositivo de 8 pines tiene la siguiente asignación y funciones:

1. LED VDD: Entrada de alimentación para la conexión común del ánodo del LED. Debe suministrarse junto con el pin 7.

2. CKO: Salida de Señal de Reloj para dispositivos en cascada.

3. DAO: Salida de Datos Serie para conexión en cascada.

4. VPP: Alimentación de alta tensión (9-10V) para la programación de memoria OTP (Programable Una Vez). Se mantiene a 5V para lectura/reposo.

5. CKI: Entrada de Señal de Reloj.

6. DAI: Entrada de Datos Serie.

7. VDD: Tensión de alimentación principal (3.3-5.5V) para el CI interno.

8. GND: Referencia de tierra.

Nota Crítica:Tanto LED VDD (pin 1) como VDD (pin 7) deben estar alimentados simultáneamente para un funcionamiento correcto.

6. Directrices de Soldadura y Ensamblaje

6.1 Perfil de Reflujo Recomendado

La hoja de datos proporciona un perfil de soldadura por reflujo infrarrojo sugerido para procesos sin plomo (Pb-free). Los parámetros clave típicamente incluyen:

- Precalentamiento:Una rampa gradual para activar el fundente y minimizar el choque térmico.

- Estabilización Térmica:Una meseta para asegurar un calentamiento uniforme de la PCB y el componente.

- Reflujo:La zona de temperatura pico, donde la hoja de datos especifica un máximo de 260°C durante hasta 10 segundos (medido en las patillas del componente). Este es un perfil JEDEC estándar para dispositivos sensibles a la humedad.

- Enfriamiento:Un período de enfriamiento controlado para solidificar correctamente las uniones de soldadura.

Es imperativo seguir este perfil para evitar daños al encapsulado del LED, la lente o los enlaces internos por exceso de calor o estrés térmico.

6.2 Pick-and-Place y Manipulación

El dispositivo se suministra en cinta de 8 mm en carretes de 7", compatible con equipos de ensamblaje SMT estándar. El perfil delgado (0.65 mm típico) requiere un manejo cuidadoso para evitar estrés mecánico. Deben usarse boquillas de vacío de tamaño y presión apropiados durante el pick-and-place para evitar daños en la lente o el cuerpo. Las herramientas recomendadas para este proceso se especifican en las notas de revisión de la hoja de datos.

7. Descripción Funcional y Circuito de Aplicación

7.1 Diagrama de Bloques Interno y Principio

El núcleo del módulo es un controlador sumidero de corriente constante de tres canales. Cada canal regula independientemente la corriente que fluye a través de su respectivo LED (Rojo, Verde, Azul) al valor programado, independientemente de las variaciones en la tensión directa (Vf) de los chips LED. Esto asegura una salida de color consistente entre diferentes unidades y a lo largo del tiempo. El nivel de corriente para cada canal se establece a través de un registro de 7 bits (permitiendo 128 niveles de corriente discretos). La atenuación y mezcla de colores se logran mediante un controlador PWM de alta resolución de 16 bits para cada canal, proporcionando más de 65,000 pasos de brillo para transiciones extremadamente suaves.

7.2 Circuito de Aplicación Típico

Un circuito de aplicación básico requiere:

1. Una fuente estable de 3.3V a 5.5V conectada tanto a VDD (pin 7) como a LED VDD (pin 1).

2. Un condensador de desacoplo de 0.1µF colocado lo más cerca posible entre el pin VDD (7) y GND (pin 8) para filtrar ruido de alta frecuencia y asegurar un funcionamiento estable del CI.

3. Para las líneas de comunicación serie (CKI y DAI), se recomienda reservar espacio en la PCB para pequeñas redes de filtro paso bajo RC (resistencia y condensador a tierra). Estos filtros ayudan a limpiar la integridad de la señal en entornos eléctricamente ruidosos o con longitudes de traza largas. Los valores exactos de los componentes deben determinarse en función de la frecuencia de reloj y las características de ruido específicas del sistema.

4. El pin VPP (4) debe conectarse a una fuente de tensión. Para funcionamiento normal (lectura OTP, reposo), puede conectarse a 5V. Para programar la memoria OTP (para almacenar configuraciones por defecto como la calibración de color), se debe aplicar una tensión entre 9.0V y 10.0V a este pin durante la secuencia de programación.

7.3 Comunicación de Datos y Conexión en Cascada

El dispositivo utiliza un protocolo serie síncrono. Para controlarlo, un microcontrolador debe enviar tramas de datos de 56 bits. Hay dos tipos principales de trama, seleccionados por un campo de Comando de 3 bits:

- Datos PWM (CMD=001):Esta trama de 56 bits contiene los valores PWM de 16 bits para cada uno de los tres canales de color (48 bits en total), más bits de comando y CRC. Estos datos controlan el brillo instantáneo.

- Datos del Registro Principal (CMD=010):Esta trama programa los registros de configuración del dispositivo, ajustes como límites de corriente globales, configuración PWM y habilitación de funciones como compensación de temperatura o modo de reposo.

Se pueden conectar múltiples dispositivos en cadena conectando el DAO y CKO del primer dispositivo al DAI y CKI del siguiente. Se envía un único flujo de datos al primer dispositivo, y este pasa a través de la cadena. Todos los dispositivos en la cadena capturan sus nuevos datos simultáneamente cuando la línea de reloj (CKI) se mantiene alta durante más de 150 microsegundos (la señal de captura).

8. Consideraciones de Diseño y Notas de Aplicación

8.1 Gestión Térmica

A pesar del controlador integrado, la disipación de calor sigue siendo crucial. Se proporciona la resistencia térmica de unión a punto de soldadura (Rth JS). Los diseñadores deben calcular la disipación de potencia esperada (P_diss = Vf_Rojo * I_Rojo + Vf_Verde * I_Verde + Vf_Azul * I_Azul + (VDD * I_IC)) y asegurar que la PCB proporcione una ruta térmica adecuada (usando vías térmicas, áreas de cobre) para mantener la temperatura de unión (Tj) muy por debajo del máximo de 125°C, idealmente por debajo de 85°C para una fiabilidad a largo plazo. El sensor de temperatura incorporado y la compensación para el LED rojo ayudan a mantener el rendimiento óptico, pero no eliminan la necesidad de un buen diseño térmico físico.

8.2 Secuenciación de la Alimentación y Desacoplo

El requisito de alimentar tanto VDD como LED VDD juntos es crítico. Una secuencia de encendido donde uno se habilita antes que el otro podría colocar el CI interno o los LEDs en un estado indefinido, potencialmente causando latch-up o daños. El condensador de desacoplo de 0.1µF en VDD no es opcional; es necesario para evitar caídas de tensión durante la conmutación rápida del PWM, lo que podría hacer que el CI se reinicie o se comporte de manera errática.

8.3 Integridad de la Señal para Conexión en Cascada

Al conectar muchos dispositivos en cascada, puede ocurrir degradación de la señal a lo largo de las líneas de reloj y datos. Los filtros RC recomendados en las entradas CKI y DAI de cada dispositivo ayudan a suprimir el ringing y el ruido. Para cadenas muy largas o velocidades de reloj altas, pueden ser necesarias medidas adicionales como una adecuada adaptación de impedancia, trazas más cortas o chips buffer para asegurar una comunicación fiable hasta el último dispositivo de la cadena.

9. Comparación y Diferenciación

En comparación con un LED RGB estándar sin controlador, el LTSA-E27CQEGBW ofrece ventajas significativas:

- Diseño Simplificado:No se necesitan resistencias de ajuste de corriente ni controladores de transistores externos para cada canal.

- Precisión y Consistencia:El controlador de corriente constante asegura una corriente idéntica en cada LED, lo que conduce a un color y brillo más consistentes de una unidad a otra, independientemente de las variaciones menores de Vf.

- Características Avanzadas:La compensación de temperatura integrada, el PWM de alta resolución y el control serie son características que normalmente solo se encuentran en CIs controladores externos, no en el propio encapsulado del LED.

- Recuento de Componentes y Espacio en Placa Reducidos:Integra la funcionalidad del controlador en la huella del LED, ahorrando un valioso espacio en la PCB.

La contrapartida es una mayor complejidad en el software de control (gestionar el protocolo serie) y un costo de componente ligeramente mayor en comparación con un LED básico.

10. Preguntas Frecuentes (FAQ)

P1: ¿Puedo accionar este LED con un simple pin GPIO de un microcontrolador y una resistencia?

R: No. Los ánodos del LED están conectados internamente a los sumideros de corriente del CI controlador. Debes proporcionar alimentación al pin LED VDD y controlar el dispositivo a través de su interfaz serie (CKI, DAI). La conexión directa a GPIO no funcionará y puede dañar el dispositivo.

P2: ¿Cuál es el propósito de la memoria OTP?

R: La memoria Programable Una Vez (OTP) te permite almacenar configuraciones por defecto (como brillo inicial, compensaciones de calibración de color o habilitación de funciones) permanentemente dentro del módulo LED. Cuando se aplica alimentación, el CI puede leer estas configuraciones desde la OTP y configurarse automáticamente, reduciendo el código de inicialización requerido en el microcontrolador anfitrión.

P3: ¿Cómo calculo el consumo total de energía?

R: Necesitas considerar tanto la potencia del LED como la del CI. Para los LEDs: P_led = (Corriente_Media_Rojo * Vf_Rojo) + (Corriente_Media_Verde * Vf_Verde) + (Corriente_Media_Azul * Vf_Azul). Vf puede estimarse a partir de la curva IV o valores típicos para la tecnología del chip (~2.0V para AlInGaP Rojo, ~3.2V para InGaN Verde/Azul). Para el CI: P_ic ≈ VDD * I_q (corriente en reposo, de las notas de aplicación). Las corrientes medias dependen de tus ciclos de trabajo PWM.

P4: ¿Se requiere un disipador de calor?

R: Para la mayoría de las aplicaciones con ciclos de trabajo bajos a medios a temperatura ambiente, la ruta térmica a través de las almohadillas de soldadura de la PCB es suficiente. Sin embargo, para aplicaciones que funcionan con los tres LEDs a pleno brillo continuamente, o en altas temperaturas ambiente, un diseño térmico cuidadoso de la PCB (vías térmicas, área de cobre) es esencial. Un disipador de calor metálico separado no se suele colocar directamente en este encapsulado SMD.