LED RGB CMS avec Pilote Intégré - Fiche Technique LTSA-E27CQEGBW - Document Technique Français

1. Vue d'ensemble du produit

Le LTSA-E27CQEGBW est un module LED RGB haute performance à montage en surface, conçu pour l'assemblage automatisé et les applications à encombrement limité. Il intègre des puces LED individuelles rouge AlInGaP, verte InGaN et bleue InGaN dans un boîtier compact unique. Un point différenciant clé de ce produit est l'inclusion d'un pilote à courant constant 3 canaux 8-16 bits et d'un circuit intégré de contrôle embarqué, qui fournit des fonctionnalités avancées telles que le contrôle de gradation PWM, la compensation thermique et la communication de données série. Cette intégration simplifie la conception du système en réduisant le nombre de composants externes et l'empreinte sur le circuit imprimé.

Le module est logé dans un boîtier à lentille diffusante, ce qui contribue à mélanger la lumière des différentes puces de couleur pour produire une sortie de couleur plus uniforme et un angle de vision plus large. Il est fourni sur bande de 8 mm montée sur bobines de 7 pouces de diamètre, le rendant entièrement compatible avec les équipements d'assemblage automatisé pick-and-place à haute vitesse. Le dispositif est conçu pour respecter les normes de conformité RoHS et est préconditionné au niveau JEDEC 2 pour une fiabilité accrue.

1.1 Caractéristiques et avantages principaux

• Circuit intégré de pilotage embarqué :Élimine le besoin de résistances de limitation de courant et de circuits de pilotage externes pour chaque canal de couleur. Le CI embarqué fournit un contrôle de courant précis jusqu'à 60 mA par canal.
• Contrôle avancé :Prend en charge un réglage de courant 7 bits par canal et une modulation de largeur d'impulsion (PWM) jusqu'à 16 bits pour un mélange de couleurs et une gradation fluides et haute résolution.
• Compensation thermique :Intègre une fonction de diagnostic qui mesure la température de jonction de la LED. Ces données sont utilisées par un algorithme interne pour ajuster automatiquement le courant de pilotage de la puce LED rouge, maintenant une intensité lumineuse et un point de couleur constants sur une large plage de températures de fonctionnement (-40°C à +110°C).
• Communication robuste :Utilise une interface de communication série (Entrée/Sortie d'horloge, Entrée/Sortie de données) avec protection CRC (Contrôle de Redondance Cyclique) pour une transmission de données fiable, notamment dans des configurations en cascade ou des environnements bruyants.
• Protection du système :Inclut une fonction de watchdog (chien de garde) pour empêcher le scintillement des LED pouvant être causé par des événements de connexion à chaud (hot-plug) ou des erreurs de communication.
• Modes basse consommation :Prend en charge un mode veille pour réduire la consommation d'énergie en standby, ce qui est crucial pour les applications alimentées par batterie ou à haute efficacité énergétique.
• Grade automobile :Conçu en référence aux directives AEC-Q102 pour les semi-conducteurs optoélectroniques discrets et classé pour la robustesse à la corrosion (Classe 1B), le rendant adapté à certaines applications d'accessoires automobiles.

1.2 Applications et marchés cibles

Cette LED est conçue pour des applications nécessitant des solutions d'éclairage multicolore fiables, compactes et intelligentes. Ses principaux marchés cibles incluent :

• Électronique grand public :Indicateurs d'état, rétroéclairage et éclairage décoratif dans des appareils tels que smartphones, tablettes, ordinateurs portables, périphériques de jeu et appareils électroménagers.
• Équipements professionnels et industriels :Indicateurs de panneau, voyants d'état de machine et retour d'interface homme-machine (IHM) dans les systèmes réseau, les panneaux de contrôle et les équipements de test.
• Éclairage intérieur automobile :Applications d'éclairage intérieur non critiques telles que l'éclairage d'ambiance, le rétroéclairage du tableau de bord et les indicateurs d'état d'accessoires, bénéficiant de sa stabilité thermique et de sa communication robuste.
• Signalétique et affichage :Applications d'enseignes intérieures basse résolution, affichages de point de vente et éclairage architectural décoratif où des capacités de changement de couleur sont souhaitées.

2. Analyse des paramètres techniques

La section suivante fournit une analyse objective détaillée des principaux paramètres électriques, optiques et thermiques spécifiés dans la fiche technique. Comprendre ces paramètres est crucial pour une conception de circuit et une prédiction de performance appropriées.

2.1 Valeurs maximales absolues

Ces valeurs définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Le fonctionnement dans ces conditions n'est pas garanti.

• Tension d'alimentation du CI (VDD) :5,5 V maximum. Dépasser cette tension peut endommager les circuits de contrôle internes.
• Courant de sortie LED (Iout) :60 mA maximum par canal. C'est le courant de crête absolu que le pilote de sortie peut gérer ; les courants de fonctionnement typiques sont inférieurs.
• Température de jonction (Tj) :125°C maximum. La température de la jonction semi-conductrice à l'intérieur de la LED ou du CI ne doit pas dépasser cette limite.
• Température de fonctionnement/de stockage :-40°C à +110°C. Le dispositif peut être stocké et fonctionner dans cette plage complète.
• Soudage par refusion infrarouge :Supporte une température de pointe de 260°C pendant un maximum de 10 secondes, ce qui est standard pour les procédés de soudure sans plomb (Pb-free).

2.2 Caractéristiques électriques et optiques

Ces paramètres sont mesurés dans des conditions typiques (Ta=25°C, VDD=5V, réglage PWM 8 bits à la valeur de couleur maximale) et définissent la performance attendue.

• Tension d'alimentation (VDD) :La plage de fonctionnement recommandée est de 3,3 V à 5,5 V, avec une valeur typique de 5,0 V.
• Courant direct (If) :Les courants de pilotage typiques pour chaque couleur à luminosité maximale sont : Rouge : 30 mA, Vert : 46 mA, Bleu : 20 mA. Ces valeurs sont définies par le pilote interne et peuvent être ajustées via le registre de contrôle de courant 7 bits.
• Intensité lumineuse (Iv) :L'intensité lumineuse axiale typique pour chaque couleur primaire au courant maximum est : Rouge : 950 mcd, Vert : 2170 mcd, Bleu : 380 mcd. Les valeurs minimales et maximales indiquent la dispersion de production attendue. Le point blanc calibré (combinant les trois couleurs) a une intensité typique de 3500 mcd.
• Longueur d'onde dominante (λd) :Définit la couleur perçue de chaque LED. Les valeurs typiques sont : Rouge : 620 nm, Vert : 525 nm, Bleu : 465 nm.
• Coordonnées chromatiques (x, y) :Pour le point blanc calibré, les coordonnées cibles sont x=0,3127, y=0,3290, ce qui correspond au point blanc standard D65, souvent utilisé comme référence pour l'affichage et l'éclairage.
• Angle de vision (2θ1/2) :120 degrés. C'est l'angle total auquel l'intensité lumineuse chute à la moitié de sa valeur axiale. La lentille diffusante contribue à cet angle de vision large.

2.3 Caractéristiques thermiques

La gestion thermique est critique pour la longévité et la stabilité des performances des LED.

• Résistance thermique, jonction-point de soudure (Rth JS) :Deux valeurs sont fournies : Rth JSelec = 63 K/W et Rth JSreal = 73 K/W. La valeur \"elec\" est typiquement dérivée d'une méthode de mesure électrique, tandis que la valeur \"real\" peut représenter une estimation plus conservatrice ou pratique du chemin thermique. Ces valeurs indiquent l'efficacité avec laquelle la chaleur se déplace de la jonction de la LED aux points de soudure sur le CI. Une valeur plus basse est meilleure. Par exemple, si la LED dissipe 0,2 W, l'élévation de température de la jonction au-dessus du point de soudure serait d'environ 0,2 W * 73 K/W = 14,6°C.

3. Binning et constance des couleurs

La fiche technique fait référence à un système de classement par bin basé sur le point blanc D65 avec une tolérance de 3 ellipses de MacAdam (3-step). C'est une méthode standard dans l'industrie de l'éclairage pour définir la constance des couleurs.

• Ellipses de MacAdam :Une ellipse de MacAdam sur un diagramme chromatique représente une zone dans laquelle l'œil humain ne perçoit aucune différence de couleur dans des conditions de vision standard. Une ellipse \"3-step\" signifie que la variation de couleur est trois fois la taille de la plus petite différence perceptible (une ellipse 1-step).
• Implication :Toutes les unités LTSA-E27CQEGBW d'un même lot de production (ou bin spécifié) produiront une lumière blanche dont les coordonnées de couleur se situent dans une ellipse de MacAdam 3-step autour du point D65 (x=0,3127, y=0,3290). Cela garantit une bonne uniformité de couleur entre différentes LED dans un réseau ou un système, ce qui est vital pour des applications comme le rétroéclairage ou les enseignes multi-LED où un désaccord de couleur serait perceptible.

4. Analyse des courbes de performance

Les courbes de performance typiques donnent un aperçu du comportement du dispositif dans différentes conditions.

4.1 Distribution spectrale

Le graphique Intensité relative vs Longueur d'onde (Fig.1) montre le spectre de sortie lumineuse pour chaque puce de couleur (Rouge, Vert, Bleu). Les observations clés incluent les pics étroits et bien définis caractéristiques des semi-conducteurs LED modernes. La puce rouge AlInGaP montre typiquement un pic autour de 620 nm, la verte InGaN autour de 525 nm et la bleue InGaN autour de 465 nm. La largeur de ces pics (Largeur à mi-hauteur, ou FWHM) influence la pureté de la couleur.

3.2 Température vs Performance

La courbe Point de consigne de couleur max. vs Température (Fig.2) illustre probablement comment le cycle de service PWM ou le point de consigne de courant maximal réalisable pour un fonctionnement stable peut changer avec la température ambiante. Ce graphique est essentiel pour concevoir des systèmes fonctionnant de manière fiable sur toute la plage de température, garantissant que le CI de pilotage n'entre pas en arrêt thermique ou ne réduise pas sa sortie prématurément.

4.3 Diagramme de rayonnement spatial

Le tracé de distribution spatiale (Fig.3) représente visuellement l'angle de vision de 120 degrés. Il montre comment l'intensité lumineuse est distribuée en fonction de l'angle par rapport à l'axe central (0 degré). La lentille diffusante crée un motif lambertien ou quasi-lambertien, où l'intensité est maximale au centre et diminue progressivement vers les bords, offrant une visibilité hors axe uniforme.

5. Informations mécaniques et de boîtier

5.1 Dimensions et tolérances du boîtier

Le dispositif est conforme à une empreinte CMS standard. Toutes les dimensions critiques sont fournies en millimètres. La tolérance générale pour les dimensions du boîtier est de ±0,2 mm, sauf indication contraire pour une caractéristique spécifique. Les concepteurs doivent se référer au dessin mécanique détaillé de la fiche technique pour la disposition précise des pastilles, la hauteur du composant et les dimensions de la lentille afin d'assurer une conception correcte du motif de pastilles sur le CI et un dégagement pour les composants environnants.

5.2 Configuration et fonction des broches

Le dispositif à 8 broches a le brochage et les fonctions suivants :

1. LED VDD : Entrée d'alimentation pour la connexion commune de l'anode des LED. Doit être alimentée conjointement avec la broche 7.

2. CKO : Sortie du signal d'horloge pour la mise en cascade des dispositifs.

3. DAO : Sortie de données série pour la mise en cascade.

4. VPP : Alimentation haute tension (9-10 V) pour la programmation de la mémoire OTP (Programmable une seule fois). Maintenue à 5 V pour la lecture/veille.

5. CKI : Entrée du signal d'horloge.

6. DAI : Entrée de données série.

7. VDD : Tension d'alimentation principale (3,3-5,5 V) pour le CI interne.

8. GND : Référence de masse.

Note critique :LED VDD (broche 1) et VDD (broche 7) doivent être alimentées simultanément pour un fonctionnement correct.

6. Directives de soudage et d'assemblage

6.1 Profil de refusion recommandé

La fiche technique fournit un profil de soudage par refusion infrarouge suggéré pour les procédés sans plomb (Pb-free). Les paramètres clés incluent typiquement :

- Préchauffage :Une montée progressive pour activer la flux et minimiser le choc thermique.

- Maintien (Stabilisation thermique) :Un plateau pour assurer un chauffage uniforme du CI et du composant.

- Refusion :La zone de température de pointe, où la fiche technique spécifie un maximum de 260°C pendant jusqu'à 10 secondes (mesuré au niveau des broches du composant). C'est un profil JEDEC standard pour les dispositifs sensibles à l'humidité.

- Refroidissement :Une période de refroidissement contrôlée pour solidifier correctement les joints de soudure.

Il est impératif de suivre ce profil pour éviter d'endommager le boîtier de la LED, la lentille ou les fils de liaison internes par une chaleur excessive ou un stress thermique.

6.2 Pick-and-Place et manipulation

Le dispositif est fourni sur bande de 8 mm sur bobines de 7\", compatible avec les équipements d'assemblage SMT standard. Le profil fin (0,65 mm typique) nécessite une manipulation soigneuse pour éviter les contraintes mécaniques. Des buses à vide de taille et de pression appropriées doivent être utilisées pendant le pick-and-place pour éviter d'endommager la lentille ou le corps. Les outils recommandés pour ce processus sont spécifiés dans les notes de révision de la fiche technique.

7. Description fonctionnelle et circuit d'application

7.1 Schéma fonctionnel interne et principe

Le cœur du module est un pilote à puits de courant constant trois canaux. Chaque canal régule indépendamment le courant traversant sa LED respective (Rouge, Vert, Bleu) à la valeur programmée, quelles que soient les variations de la tension directe (Vf) des puces LED. Cela garantit une sortie de couleur constante d'une unité à l'autre et dans le temps. Le niveau de courant pour chaque canal est défini via un registre 7 bits (permettant 128 niveaux de courant discrets). La gradation et le mélange des couleurs sont réalisés via un contrôleur PWM haute résolution 16 bits pour chaque canal, fournissant plus de 65 000 étapes de luminosité pour des transitions extrêmement fluides.

7.2 Circuit d'application typique

Un circuit d'application de base nécessite :

1. Une alimentation stable de 3,3 V à 5,5 V connectée à la fois à VDD (broche 7) et LED VDD (broche 1).

2. Un condensateur de découplage de 0,1 µF placé aussi près que possible entre la broche VDD (7) et la masse GND (broche 8) pour filtrer le bruit haute fréquence et assurer un fonctionnement stable du CI.

3. Pour les lignes de communication série (CKI et DAI), il est recommandé de réserver de l'espace pour de petits réseaux de filtres passe-bas RC (résistance et condensateur à la masse) sur le CI. Ces filtres aident à nettoyer l'intégrité du signal dans des environnements électriquement bruyants ou avec de longues longueurs de pistes. Les valeurs exactes des composants doivent être déterminées en fonction de la fréquence d'horloge et des caractéristiques de bruit du système spécifique.

4. La broche VPP (4) doit être connectée à une source de tension. Pour un fonctionnement normal (lecture OTP, veille), elle peut être reliée à 5 V. Pour programmer la mémoire OTP (pour stocker des paramètres par défaut comme l'étalonnage des couleurs), une tension entre 9,0 V et 10,0 V doit être appliquée à cette broche pendant la séquence de programmation.

7.3 Communication de données et mise en cascade

Le dispositif utilise un protocole série synchrone. Pour le contrôler, un microcontrôleur doit envoyer des trames de données de 56 bits. Il existe deux types principaux de trames, sélectionnés par un champ Commande de 3 bits :

- Données PWM (CMD=001) :Cette trame de 56 bits contient les valeurs PWM 16 bits pour chacun des trois canaux de couleur (48 bits au total), plus les bits de commande et CRC. Ces données contrôlent la luminosité instantanée.

- Données du registre primaire (CMD=010) :Cette trame programme les registres de configuration du dispositif, des paramètres comme les limites de courant globales, la configuration PWM et l'activation de fonctionnalités comme la compensation thermique ou le mode veille.

Plusieurs dispositifs peuvent être connectés en chaîne (daisy-chain) en connectant le DAO et le CKO du premier dispositif au DAI et CKI du suivant. Un flux de données unique est envoyé au premier dispositif, et il traverse la chaîne. Tous les dispositifs de la chaîne verrouillent leurs nouvelles données simultanément lorsque la ligne d'horloge (CKI) est maintenue haute pendant plus de 150 microsecondes (signal de verrouillage).

8. Considérations de conception et notes d'application

8.1 Gestion thermique

Malgré le pilote intégré, la dissipation thermique reste cruciale. La résistance thermique de la jonction au point de soudure (Rth JS) est fournie. Les concepteurs doivent calculer la dissipation de puissance attendue (P_diss = Vf_Rouge * I_Rouge + Vf_Vert * I_Vert + Vf_Bleu * I_Bleu + (VDD * I_CI)) et s'assurer que le CI fournit un chemin thermique adéquat (en utilisant des vias thermiques, des zones de cuivre) pour maintenir la température de jonction (Tj) bien en dessous du maximum de 125°C, idéalement en dessous de 85°C pour une fiabilité à long terme. Le capteur de température intégré et la compensation pour la LED rouge aident à maintenir les performances optiques mais n'éliminent pas le besoin d'une bonne conception thermique physique.

8.2 Séquencement de l'alimentation et découplage

L'exigence d'alimenter à la fois VDD et LED VDD ensemble est critique. Une séquence de mise sous tension où l'un est activé avant l'autre pourrait placer le CI interne ou les LED dans un état indéfini, risquant de provoquer un latch-up ou des dommages. Le condensateur de découplage de 0,1 µF sur VDD n'est pas optionnel ; il est nécessaire pour éviter les chutes de tension pendant la commutation rapide du PWM, ce qui pourrait provoquer une réinitialisation ou un comportement erratique du CI.

8.3 Intégrité du signal pour la mise en cascade

Lors de la mise en cascade de nombreux dispositifs, une dégradation du signal le long des lignes d'horloge et de données peut survenir. Les filtres RC recommandés sur les entrées CKI et DAI de chaque dispositif aident à supprimer les oscillations et le bruit. Pour des chaînes très longues ou des vitesses d'horloge élevées, des mesures supplémentaires comme une adaptation d'impédance appropriée, des pistes plus courtes ou des circuits tampons peuvent être nécessaires pour assurer une communication fiable jusqu'au dernier dispositif de la chaîne.

9. Comparaison et différenciation

Comparé à une LED RGB standard sans pilote, le LTSA-E27CQEGBW offre des avantages significatifs :

- Conception simplifiée :Aucune résistance de réglage de courant ou pilote à transistor externe n'est nécessaire pour chaque canal.

- Précision et constance :Le pilote à courant constant garantit un courant identique dans chaque LED, conduisant à une couleur et une luminosité plus constantes d'une unité à l'autre, indépendamment des variations mineures de Vf.

- Fonctionnalités avancées :La compensation thermique intégrée, le PWM haute résolution et le contrôle série sont des fonctionnalités typiquement trouvées uniquement dans des CI de pilotage externes, et non dans le boîtier LED lui-même.

- Nombre de composants et espace sur carte réduits :Intègre la fonctionnalité de pilotage dans l'empreinte de la LED, économisant un espace précieux sur le CI.

Le compromis est une complexité accrue dans le logiciel de contrôle (gestion du protocole série) et un coût de composant légèrement plus élevé par rapport à une LED basique.

10. Questions fréquemment posées (FAQ)

Q1 : Puis-je piloter cette LED avec une simple broche GPIO de microcontrôleur et une résistance ?

R : Non. Les anodes des LED sont connectées en interne aux puits de courant du CI de pilotage. Vous devez fournir l'alimentation à la broche LED VDD et contrôler le dispositif via son interface série (CKI, DAI). Une connexion directe à une GPIO ne fonctionnera pas et pourrait endommager le dispositif.

Q2 : Quel est le but de la mémoire OTP ?

R : La mémoire programmable une seule fois (OTP) vous permet de stocker des paramètres de configuration par défaut (comme la luminosité initiale, les décalages d'étalonnage des couleurs ou l'activation de fonctions) de manière permanente à l'intérieur du module LED. Lorsque l'alimentation est appliquée, le CI peut lire ces paramètres depuis l'OTP et se configurer automatiquement, réduisant le code d'initialisation requis dans le microcontrôleur hôte.

Q3 : Comment calculer la consommation électrique totale ?

R : Vous devez considérer à la fois la puissance des LED et la puissance du CI. Pour les LED : P_led = (Courant_Moyen_Rouge * Vf_Rouge) + (Courant_Moyen_Vert * Vf_Vert) + (Courant_Moyen_Bleu * Vf_Bleu). Vf peut être estimé à partir de la courbe IV ou des valeurs typiques pour la technologie de puce (~2,0 V pour le rouge AlInGaP, ~3,2 V pour le vert/bleu InGaN). Pour le CI : P_ic ≈ VDD * I_q (courant de repos, à partir des notes d'application). Les courants moyens dépendent de vos cycles de service PWM.

Q4 : Un dissipateur thermique est-il nécessaire ?

A : Pour la plupart des applications à cycle de service faible à moyen à température ambiante, le chemin thermique via les pastilles de soudure sur le CI est suffisant. Cependant, pour les applications faisant fonctionner les trois LED à pleine luminosité en continu, ou dans des températures ambiantes élevées, une conception thermique soignée du CI (vias thermiques, surface de cuivre) est essentielle. Un dissipateur thermique métallique séparé n'est généralement pas fixé directement à ce boîtier CMS.