دیتاشیت فنی LED پیکسل هوشمند C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H - بسته‌بندی P-LCC-6 - 5 ولت - زاویه دید 120 درجه

1. مرور کلی محصول

C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H یک قطعه LED پیکسل هوشمند مجتمع است. این قطعه، چیپ‌های LED قرمز، سبز و آبی را همراه با یک مدار مجتمع (IC) درایور سه کاناله اختصاصی، در یک بسته‌بندی سطح‌نصب (SMD) نوع P-LCC-6 ترکیب می‌کند. این یکپارچگی، طراحی را با حذف نیاز به قطعات درایور خارجی برای هر کانال رنگ، ساده می‌سازد.

عملکرد اصلی IC درایور مجتمع (که در این سند با نام 4516-IC اشاره می‌شود)، ارائه کنترل خطی مدولاسیون عرض پالس (PWM) 8 بیتی مجزا برای هر یک از LEDهای قرمز (R)، سبز (G) و آبی (B) است. این امر امکان ایجاد 16.7 میلیون رنگ (2^24) را از طریق ترکیب دقیق شدت‌ها فراهم می‌کند. کنترل از طریق یک پروتکل ارتباطی سریال ساده و تک‌سیمه انجام می‌شود که آن را از نظر هزینه بسیار مقرون‌به‌صرفه و برای پیاده‌سازی در طرح‌های مختلف نورپردازی آسان می‌سازد.

بسته‌بندی دارای رفلکتور داخلی است و از رزین شفاف بی‌رنگ قالب‌گیری شده که به زاویه دید گسترده 120 درجه آن کمک می‌کند. ترکیب نور از سه LED رنگ اصلی، منجر به انتشار نور سفید می‌شود و این قطعه را به ویژه برای کاربردهای نور پس‌زمینه و لوله‌های نوری که نیاز به روشنایی یکنواخت و با زاویه دید گسترده دارند، مناسب می‌سازد.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن‌ها ممکن است آسیب دائمی به دستگاه وارد شود. عملکرد خارج از این محدوده‌ها تضمین نمی‌شود.

• ولتاژ منبع تغذیه (VDD):حداکثر 6.5 ولت. ولتاژ کاری معمول 5 ولت است که حاشیه امنیتی مناسبی فراهم می‌کند.
• توان تلف شده (PD):کمتر از 400 میلی‌وات. این مقدار، کل گرمای تولید شده توسط IC و LEDها را محدود می‌کند.
• جریان خروجی LED (Iout):حداکثر 25 میلی‌آمپر برای هر کانال. جریان خروجی معمول در مشخصات الکتریکی 20 میلی‌آمپر تعیین شده است.
• دمای عملیاتی (Topr):25- تا 85+ درجه سلسیوس. این محدوده دمای محیط برای عملکرد مطمئن را تعریف می‌کند.
• دمای نگهداری (Tstg):40- تا 90+ درجه سلسیوس.
• تخلیه الکترواستاتیک (ESD):تحمل 2000 ولت، که نشان‌دهنده سطح پایه‌ای از محافظت در برابر دستکاری است.
• دمای لحیم‌کاری:سازگار با فرآیندهای بدون سرب (Pb-free): لحیم‌کاری ریفلو IR در دمای 260 درجه سلسیوس حداکثر به مدت 10 ثانیه، یا لحیم‌کاری دستی در دمای 350 درجه سلسیوس حداکثر به مدت 3 ثانیه.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال

اندازه‌گیری شده در دمای محیط 25 درجه سلسیوس و VDD=5V. این پارامترها عملکرد خروجی نور را تعریف می‌کنند.

• شدت نور (Iv):
  • قرمز (R): 450 میلی‌کندلا (حداقل) تا 1120 میلی‌کندلا (حداکثر). مقدار معمول در این محدوده قرار دارد.
  • سبز (G): 1120 میلی‌کندلا (حداقل) تا 2800 میلی‌کندلا (حداکثر). کانال سبز معمولاً درخشان‌ترین است.
  • آبی (B): 280 میلی‌کندلا (حداقل) تا 710 میلی‌کندلا (حداکثر).
  • تلرانس:±11% برای شدت نور.
• زاویه دید (2θ1/2):100 درجه (حداقل)، 120 درجه (معمول)، 140 درجه (حداکثر). زاویه معمول گسترده 120 درجه یک ویژگی کلیدی است.
• طول موج غالب (λd):
  • قرمز: 618 نانومتر تا 630 نانومتر.
  • سبز: 520 نانومتر تا 535 نانومتر.
  • آبی: 463 نانومتر تا 475 نانومتر.
  • تلرانس:±1 نانومتر.
• مواد چیپ:قرمز از AlGaInP و سبز و آبی از InGaN استفاده می‌کنند که برای LEDهای با بازده بالا استاندارد هستند.

2.3 مشخصات الکتریکی

پارامترهای مربوط به IC درایور مجتمع، در محدوده دمای محیط 20- تا 70+ درجه سلسیوس و Vdd=4.5 تا 5.5 ولت مشخص شده‌اند.

• جریان خروجی (IOL):19 میلی‌آمپر (حداقل)، 20 میلی‌آمپر (معمول)، 21 میلی‌آمپر (حداکثر). این جریان ثابتی است که به هر LED تامین می‌شود.
• سطوح منطقی ورودی (برای پین‌های DIN, SET):
  • VIH (ولتاژ ورودی سطح بالا): حداقل 2.7 ولت.
  • VIL (ولتاژ ورودی سطح پایین): حداکثر 0.3 * Vdd (مثلاً حداکثر 1.5 ولت در Vdd=5V).
• ولتاژ هیسترزیس (VH):معمولاً 0.35 ولت. این امر مصونیت در برابر نویز را روی پین‌های ورودی فراهم می‌کند.
• توان تلفی جریان دینامیک (IDD_dyn):معمولاً 2 میلی‌آمپر. این جریان کاری خود IC درایور است.

3. پروتکل ارتباطی و تایمینگ

دستگاه از یک طرح ارتباطی تک‌سیمه و غیربازگشت به صفر (NRZ) برای دریافت داده 24 بیتی (8 بیت برای هر کانال R, G, B) استفاده می‌کند.

3.1 تایمینگ انتقال داده

سطوح منطقی توسط مدت زمان پالس بالا در یک چرخه ثابت 1.2 میکروثانیه‌ای تعریف می‌شوند.

• منطق '0':زمان ولتاژ بالا (T0H) = 0.30 میکروثانیه (±0.15µs)، زمان ولتاژ پایین (T0L) = 0.90 میکروثانیه.
• منطق '1':زمان ولتاژ بالا (T1H) = 0.90 میکروثانیه (±0.15µs)، زمان ولتاژ پایین (T1L) = 0.30 میکروثانیه.
• سیگنال ریست/لچ:یک سیگنال سطح پایین روی پین DIN به مدت بیش از 50 میکروثانیه (به طور خاص، بیش از 250 میکروثانیه نشان داده شده است)، داده 24 بیتی دریافتی را در رجیسترهای خروجی لچ کرده و روشنایی LED را به‌روز می‌کند.

داده ابتدا با بیت با ارزش بیشتر (MSB) برای هر رنگ ارسال می‌شود. توالی برای یک پیکسل منفرد به این صورت است: R[7], R[6], ... R[0], G[7], ... G[0], B[7], ... B[0]. پین DOUT سیگنال را مجدداً ارسال می‌کند که امکان اتصال زنجیره‌ای چندین دستگاه از یک خط داده کنترلر واحد را فراهم می‌سازد.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 ابعاد بسته‌بندی و پین‌اوت

دستگاه در یک بسته‌بندی P-LCC-6 (حامل تراشه پلاستیکی دارای پایه) قرار دارد. نقشه ابعاد ارائه شده، یک فوت‌پرینت معمول SMD را نشان می‌دهد. پیکربندی پین‌ها به شرح زیر است:

1. DI (ورودی داده):ورودی سیگنال داده کنترل.
2. VDD:منبع تغذیه مدار کنترل / IC (معمولاً 5 ولت).
3. آند (پین 3 و 4):این پین‌ها به صورت داخلی به هم متصل هستند. ورودی منبع تغذیه برای چیپ‌های LED قرمز، سبز و آبی. باید از طریق مقاومت‌های محدودکننده جریان مناسب به یک منبع ولتاژ متصل شوند.
4. GND (زمین):زمین مشترک برای IC و LEDها.
5. DOUT (خروجی داده):خروجی سیگنال داده کنترل برای اتصال زنجیره‌ای به پین DI دستگاه بعدی.

نکته طراحی حیاتی:دیتاشیت به صراحت هشدار می‌دهد که مقاومت‌های محدودکننده جریان خارجیبایدبه صورت سری با پین‌های آند اعمال شوند. بدون آن‌ها، حتی یک افزایش جزئی در ولتاژ تغذیه آند می‌تواند باعث تغییر جریان بزرگ و مخربی از طریق LEDها شود.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری، مونتاژ و نگهداری

5.1 شرایط لحیم‌کاری

قطعه بدون سرب است و با لحیم‌کاری ریفلو IR سازگار است. یک پروفیل دمایی بدون سرب توصیه شده ارائه شده است:

• پیش‌گرمایش:150–200 درجه سلسیوس به مدت 60–120 ثانیه (حداکثر شیب 3 درجه سلسیوس بر ثانیه).
• ریفلو:بالای 217 درجه سلسیوس به مدت 60–150 ثانیه، با حداکثر دمای پیک که از 260 درجه سلسیوس برای حداکثر 10 ثانیه تجاوز نکند.
• خنک‌سازی:حداکثر نرخ کاهش دما 6 درجه سلسیوس بر ثانیه.
• مهم:لحیم‌کاری ریفلو نباید بیش از دو بار انجام شود. در حین گرمایش نباید تنشی به بسته‌بندی وارد شود و PCB پس از لحیم‌کاری نباید تاب بردارد.

5.2 حساسیت رطوبتی و نگهداری

دستگاه در کیسه‌های ممانعت‌کننده رطوبت همراه با ماده خشک‌کن بسته‌بندی شده است.

• قبل از باز کردن:در دمای ≤30 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی (RH) ≤90% نگهداری شود. تا زمان آمادگی برای استفاده، کیسه را باز نکنید.
• پس از باز کردن (عمر مفید):قطعات باید حداکثر ظرف 24 ساعت پس از باز کردن کیسه ضد رطوبت، لحیم شوند.
• پخت (بیکینگ):اگر زمان نگهداری بیش از حد مجاز باشد یا ماده خشک‌کن نشان‌دهنده نفوذ رطوبت باشد، قبل از استفاده نیاز به عملیات پخت در دمای 60 درجه سلسیوس ±5 درجه به مدت 24 ساعت است.

6. بسته‌بندی و سفارش‌دهی

محصول بر روی نوار حامل برجسته‌دار عرضه می‌شود که سپس روی قرقره پیچیده می‌شود. مقدار استاندارد بارگیری شده 2000 عدد در هر قرقره است. مواد و فرآیند بسته‌بندی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در برابر رطوبت مقاوم باشند. برچسب‌های روی قرقره شامل شناسه‌های استانداردی مانند شماره محصول (P/N)، مقدار (QTY) و شماره سری ساخت (LOT No.) است. دیتاشیت همچنین به سطل‌هایی برای رتبه شدت نور (CAT)، رتبه طول موج غالب (HUE) و رتبه ولتاژ فوروارد (REF) اشاره می‌کند که نشان می‌دهد محصول ممکن است در گریدهای عملکردی از پیش دسته‌بندی شده موجود باشد.

7. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

7.1 کاربردهای متداول

• نمایشگرهای ویدیویی LED داخلی/خارجی:به دلیل کنترل مجتمع و قابلیت اتصال زنجیره‌ای، برای نمایشگرهای تمام‌رنگ با وضوح کم تا متوسط، تابلوهای علائم و تابلوهای پیام ایده‌آل هستند.
• نوارهای LED تمام‌رنگ:امکان ساخت نوارهای LED RGB آدرس‌پذیر را برای نورپردازی تزئینی، معماری و سرگرمی فراهم می‌کند.
• نورپردازی تزئینی LED:مناسب برای چراغ‌های تغییر رنگ، نورپردازی تاکیدی و نصب‌های تعاملی.
• نورپردازی خارجی گیمینگ:می‌تواند در نورپردازی کیس کامپیوتر، نور پس‌زمینه کیبورد یا سایر لوازم جانبی گیمینگ استفاده شود.
• لوله نوری/نور پس‌زمینه:زاویه دید گسترده و ترکیب نور سفید، آن را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای راهنمای نور با نور لبه‌ای یا نور مستقیم تبدیل می‌کند.

7.2 ملاحظات طراحی حیاتی

1. مقاومت‌های محدودکننده جریان:این حیاتی‌ترین قطعه خارجی است. مقاومت‌ها باید به صورت سری با تغذیه آند برای هر کانال رنگ (یا یک مقاومت مشترک در صورت استفاده از یک ولتاژ تغذیه واحد برای همه رنگ‌ها) قرار گیرند تا جریان حداکثر را تنظیم کرده و از LEDها محافظت کنند. مقدار مقاومت باید بر اساس ولتاژ تغذیه آند (V_anode)، ولتاژ فوروارد LED (Vf، تخمین زده شده از منحنی‌های معمول) و جریان مورد نظر (I، معمولاً 20mA) محاسبه شود. R = (V_anode - Vf) / I.
2. دکاپلینگ منبع تغذیه:یک خازن بای‌پس (مثلاً 0.1µF) باید نزدیک به پین VDD قرار گیرد تا منبع تغذیه IC را تثبیت کرده و نویز را فیلتر کند.
3. یکپارچگی خط داده:برای زنجیره‌های طولانی یا در محیط‌های دارای نویز الکتریکی، در نظر بگیرید که یک مقاومت سری کوچک (مثلاً 100Ω) در خروجی کنترلر و/یا یک مقاومت pull-up روی خط داده اضافه کنید تا لبه‌های سیگنال تمیز تضمین شود.
4. مدیریت حرارتی:اگرچه بسته‌بندی کم‌مصرف است، دمای محیط بالا یا راه‌اندازی همزمان هر سه LED در حداکثر روشنایی می‌تواند به حد توان تلفی نزدیک شود. در صورت استفاده در آرایه‌های با چگالی بالا، اطمینان حاصل کنید که مس کافی روی PCB یا هیت‌سینک مناسب وجود دارد.
5. رعایت تایمینگ:میکروکنترلر یا درایوری که سیگنال داده را تولید می‌کند، باید به شدت به مشخصات تایمینگ T0H، T1H و ریست پایبند باشد تا ارتباط مطمئن تضمین شود.

8. مقایسه و تمایز فنی

C4516SDWN3S1 درایور و LEDها را یکپارچه می‌کند که آن را از راه‌حل‌های گسسته (LED جداگانه + IC درایور خارجی) متمایز می‌سازد. مزایای کلیدی شامل موارد زیر است:

• طراحی ساده‌شده:تعداد قطعات، فوت‌پرینت PCB و پیچیدگی مونتاژ را کاهش می‌دهد.
• کنترل تک‌سیمه:به ویژه در آرایه‌های چند پیکسلی، سیم‌کشی را در مقایسه با راه‌حل‌هایی که نیاز به خطوط کلاک و داده جداگانه دارند (مانند SPI)، به حداقل می‌رساند.
• فرم فاکتور مجتمع:P-LCC-6 یک بسته‌بندی SMD رایج و آسان برای مونتاژ است.
• زاویه دید گسترده:زاویه 120 درجه از بسیاری از LEDهای دارای پرتو باریک‌تر برتر است و برای کاربردهای نورپردازی منتشر مفید است.
• محدودیت‌های بالقوه:یکپارچگی به این معنی است که عملکرد LED (طول موج، شدت) به سطل‌های انتخاب شده ثابت است. حداکثر جریان خروجی هر کانال (25mA) برای مصارف نشانگر و تزئینی مناسب است اما ممکن است کمتر از LEDهای گسسته پرقدرت باشد.

9. پرسش‌های متداول (FAQ)

9.1 حداکثر چند عدد از این ال‌ای‌دی‌ها را می‌توان به صورت زنجیره‌ای متصل کرد؟

از نظر تئوری، تعداد بسیار زیادی، که عمدتاً توسط نرخ به‌روزرسانی داده محدود می‌شود. هر پیکسل به 24 بیت داده نیاز دارد. نرخ داده توسط زمان 1.2 میکروثانیه برای هر بیت تعیین می‌شود. برای به‌روزرسانی یک زنجیره از N پیکسل، شما به (24 * N) بیت به اضافه یک پالس ریست نهایی (>50 میکروثانیه) نیاز دارید. برای نرخ به‌روزرسانی 30 هرتز، می‌توانید صدها پیکسل را به هم زنجیره کنید. محدودیت عملی توسط یکپارچگی سیگنال و توزیع توان در زنجیره‌های طولانی تعیین می‌شود.

9.2 چرا مقاومت‌های خارجی کاملاً ضروری هستند؟

IC درایور مجتمع یک سینک جریان ثابتدر سمت کاتد هر LED (که به صورت داخلی متصل است) فراهم می‌کند. با این حال، مقدار جریان توسط اختلاف ولتاژ بین پین آند (که از خارج تامین می‌شود) و مرجع داخلی IC تنظیم می‌شود. بدون مقاومت سری، ولتاژ آند مستقیماً جریان را تنظیم می‌کند. ولتاژ فوروارد LED (Vf) دارای ضریب دمایی منفی است (با گرم شدن LED کاهش می‌یابد). یک افزایش جزئی در ولتاژ تغذیه یا کاهش Vf ناشی از گرمایش می‌تواند باعث افزایش مهارنشدنی جریان و در نتیجه خرابی سریع شود. مقاومت فیدبک منفی ارائه می‌دهد و جریان را تثبیت می‌کند.on the cathode side of each LED (connected internally). However, the current value is set by the voltage difference between the Anode pin (supplied externally) and the IC's internal reference. Without a series resistor, the Anode voltage directly sets the current. LED forward voltage (Vf) has a negative temperature coefficient (it decreases as the LED heats up). A slight increase in supply voltage or a decrease in Vf due to heating can cause a runaway increase in current, leading to rapid failure. The resistor provides negative feedback, stabilizing the current.

9.3 آیا می‌توان از میکروکنترلر 3.3 ولتی برای کنترل پین DIN استفاده کرد؟

به طور بالقوه بله، اما با احتیاط. حداقل VIH برابر 2.7 ولت است. سطح منطقی بالا 3.3 ولتی (~3.3V) این مشخصه را برآورده می‌کند. با این حال، حاشیه نویز کاهش می‌یابد. اطمینان از سیگنال‌های تمیز بسیار مهم است. در صورت امکان، استفاده از میکروکنترلر 5 ولتی یا یک شیفت‌دهنده سطح برای عملکرد قوی توصیه می‌شود.

9.4 هدف پین SET که در مشخصات الکتریکی ذکر شده چیست؟

در حالی که پین داده اصلی DIN است، اشاره به یک پین SET در مشخصات ولتاژ ورودی نشان می‌دهد که ممکن است یک پین اضافی برای پیکربندی (مانند تنظیم روشنایی کلی یا حالت) وجود داشته باشد. توضیحات اصلی پین فقط DI، VDD، Anode، GND، DOUT را فهرست می‌کند. طراحان در صورت وجود پین SET در یک واریانت خاص، باید برای روشن‌سازی عملکرد پین، به دقیق‌ترین نسخه دیتاشیت IC درایور مراجعه کنند.

10. معرفی اصل عملکرد

دستگاه بر اساس اصل رجیستر شیفت سریال-ورودی، موازی-خروجی ترکیب شده با سینک‌های جریان ثابت عمل می‌کند. جریان داده سریال 24 بیتی از طریق تایمینگ روی پین DI، در یک رجیستر شیفت داخلی کلاک می‌شود. هر بیت مربوط به حالت روشن/خاموش مورد نظر برای یک زیردوره خاص در چرخه PWM برای یک کانال رنگ است. هنگامی که کل فریم 24 بیتی دریافت شد، یک سیگنال پایین طولانی (ریست) این داده را در مجموعه دوم رجیسترهایی که مستقیماً سینک‌های جریان خروجی را کنترل می‌کنند، لچ می‌کند. این سینک‌های جریان سپس برای کسری از هر دوره PWM متناسب با مقدار 8 بیتی هر رنگ روشن می‌شوند و درخشندگی و رنگ ادراک شده را ایجاد می‌کنند. پین DOUT داده شیفت داده شده از رجیستر داخلی را ارائه می‌دهد که امکان آبشاری شدن را فراهم می‌سازد.

11. روندهای توسعه و زمینه

دستگاه‌هایی مانند C4516SDWN3S1 نمایانگر بخشی بالغ و بهینه‌شده از نظر هزینه در بازار LEDهای آدرس‌پذیر هستند. روندهای فناوری در این زمینه شامل موارد زیر است:

• یکپارچگی بالاتر:حرکت به سمت درایورهایی که کانال‌های بیشتری را کنترل می‌کنند (مانند RGBW چهار کاناله) یا شامل عملکردهای اضافی مانند تصحیح گاما و انتشار خطا در IC هستند.
• پروتکل‌های ارتباطی بهبود یافته:در حالی که تک‌سیمه ساده است، پروتکل‌های جدیدتر نرخ داده بالاتر (مانند 800kHz در WS2812B) یا مصونیت بهتر در برابر نویز (سیگنالینگ دیفرانسیل، مانند پنل‌های LED حرفه‌ای) ارائه می‌دهند.
• عمق بیت بالاتر:پیشرفت از PWM 8 بیتی (256 سطح) به 10 بیت، 12 بیت یا حتی 16 بیت برای هر کانال، برای گرادیان‌های رنگ نرم‌تر و دینامیک رنج بالا در نورپردازی حرفه‌ای.
• عملکرد حرارتی و الکتریکی بهبود یافته:طرح‌هایی با افت ولتاژ کمتر، بازدهی بالاتر و مسیرهای حرارتی بهتر برای امکان روشنایی پایدار بالاتر.
• استانداردسازی:رشد پروتکل‌های دیجیتال استاندارد صنعتی (مانند DMX، Art-Net) که با این درایورهای پیکسل برای نصب‌های بزرگ مقیاس ارتباط برقرار می‌کنند.

این قطعه به طور محکمی در جریان اصلی LEDهای RGB دیجیتال آدرس‌پذیر کم‌هزینه قرار دارد و عملکرد، سادگی و هزینه را به طور موثر برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای مصرفی و تجاری متعادل می‌سازد.