C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H スマートピクセルLED データシート - P-LCC-6パッケージ - 5V - 120°視野角 - 日本語技術文書

1. 製品概要

C4516SDWN3S1-RGBC0120-2Hは、統合型スマートピクセルLEDコンポーネントです。赤、緑、青のLEDチップと専用3チャンネルドライバ集積回路（IC）を、単一のP-LCC-6表面実装デバイス（SMD）パッケージ内に統合しています。この統合により、各色チャンネルごとの外部ドライバ部品が不要となり、設計が簡素化されます。

統合ドライバIC（本資料では4516-ICと呼称）の中核機能は、赤（R）、緑（G）、青（B）の各LEDに対して個別の8ビットパルス幅変調（PWM）リニア制御を提供することです。これにより、精密な強度混合を通じて1670万色（2^24）の作成が可能となります。制御は、シンプルなシングルワイヤシリアル通信プロトコルによって実現され、様々な照明設計において非常にコスト効率が高く、実装が容易です。

本パッケージは内側に反射体を備え、無色透明樹脂で成形されており、広い120度の視野角を実現しています。三原色LEDからの光の混合により白色光が得られ、均一で広角の照明が求められるバックライトやライトパイプ用途に特に適しています。

2. 技術パラメータ詳細分析

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のある限界を定義します。この範囲外での動作は保証されません。

• 電源電圧 (VDD):最大6.5V。典型的な動作電圧は5Vで、安全マージンを提供します。
• 電力損失 (PD):400 mW未満。これはICとLEDの合計で発生する総熱量を制限します。
• LED出力電流 (Iout):チャンネルあたり最大25 mA。電気的特性では、典型的出力電流は20 mAと規定されています。
• 動作温度 (Topr):-25°C から +85°C。これは信頼性のある動作のための周囲温度範囲を定義します。
• 保管温度 (Tstg):-40°C から +90°C。
• 静電気放電 (ESD):2000V耐性。基本的な取り扱い保護レベルを示します。
• はんだ付け温度:無鉛（Pbフリー）プロセスに対応：IRリフローはんだ付けは260°Cで最大10秒間、または手はんだ付けは350°Cで最大3秒間。

2.2 電気光学特性

Ta=25°C、VDD=5Vで測定。これらのパラメータは光出力性能を定義します。

• 光度 (Iv):
  • 赤 (R): 450 mcd (最小) から 1120 mcd (最大)。典型的値はこの範囲内に含まれます。
  • 緑 (G): 1120 mcd (最小) から 2800 mcd (最大)。緑は通常、最も明るいチャンネルです。
  • 青 (B): 280 mcd (最小) から 710 mcd (最大)。
  • 許容差:光度に対して±11%。
• 視野角 (2θ1/2):100° (最小)、120° (典型)、140° (最大)。広い120°の典型角は重要な特徴です。
• 主波長 (λd):
  • 赤: 618 nm から 630 nm。
  • 緑: 520 nm から 535 nm。
  • 青: 463 nm から 475 nm。
  • 許容差:±1 nm。
• チップ材料:赤はAlGaInP、緑と青はInGaNを使用しており、これは高効率LEDの標準材料です。

2.3 電気的特性

統合ドライバICのパラメータ。Ta=-20 から +70°C、Vdd=4.5 から 5.5Vで規定。

• 出力電流 (IOL):19 mA (最小)、20 mA (典型)、21 mA (最大)。これは各LEDに供給される定電流です。
• 入力論理レベル (DIN、SETピン用):
  • VIH (ハイレベル入力電圧): 最小2.7V。
  • VIL (ローレベル入力電圧): 最大0.3 * Vdd (例: Vdd=5V時、最大1.5V)。
• ヒステリシス電圧 (VH):典型的0.35V。これは入力ピンでのノイズ耐性を提供します。
• 動的消費電流 (IDD_dyn):典型的2 mA。これはドライバIC自体の動作電流です。

3. 通信プロトコルとタイミング

本デバイスは、シングルワイヤの非復帰ゼロ（NRZ）通信方式を使用して、24ビットデータ（R、G、B各チャンネル8ビットずつ）を受信します。

3.1 データ転送タイミング

論理レベルは、1.2 µsの固定サイクル時間内のハイパルスの持続時間によって定義されます。

• 論理 '0':高電圧時間 (T0H) = 0.30 µs (±0.15µs)、低電圧時間 (T0L) = 0.90 µs。
• 論理 '1':高電圧時間 (T1H) = 0.90 µs (±0.15µs)、低電圧時間 (T1L) = 0.30 µs。
• リセット/ラッチ信号:DINピン上のローレベル信号が50 µs以上（特に、250 µs以上が示されています）続くと、受信した24ビットデータが出力レジスタにラッチされ、LEDの輝度が更新されます。

データは各色ごとに最上位ビット（MSB）から送信されます。単一ピクセルのシーケンスは次の通りです：R[7]、R[6]、... R[0]、G[7]、... G[0]、B[7]、... B[0]。DOUTピンは信号を再送信し、単一のコントローラデータラインから複数のデバイスをデイジーチェーン接続することを可能にします。

4. 機械的・パッケージ情報

4.1 パッケージ寸法とピン配置

本デバイスはP-LCC-6（プラスチックリードチップキャリア）パッケージに収められています。提供される寸法図は典型的なSMDフットプリントを示しています。ピン構成は以下の通りです：

1. DI (データ入力):制御データ信号入力。
2. VDD:制御回路/IC用電源（通常5V）。
3. アノード (ピン3 & 4):これらは内部で接続されています。R、G、B LEDチップ用の電源入力です。適切な電流制限抵抗を介して電圧源に接続する必要があります。
4. GND (グランド):ICとLEDの共通グランド。
5. DOUT (データ出力):次のデバイスのDIピンへのデイジーチェーン接続用の制御データ信号出力。

重要な設計上の注意:データシートは、外部電流制限抵抗が必ずアノードピンと直列に適用されなければならないと明示的に警告しています。これらがないと、アノード供給電圧のわずかな上昇でも、LEDを流れる破壊的な大きな電流変化を引き起こす可能性があります。

5. はんだ付け、実装、保管ガイドライン

5.1 はんだ付け条件

本コンポーネントは無鉛であり、IRリフローはんだ付けに対応しています。推奨される無鉛温度プロファイルが提供されています：

• 予熱:150–200°Cで60–120秒間（最大上昇速度3°C/秒）。
• リフロー:217°C以上で60–150秒間、ピーク温度は260°Cを超えず、最大10秒間。
• 冷却:最大下降速度6°C/秒。
• 重要:リフローはんだ付けは2回以上行わないでください。加熱中にパッケージに応力を加えないでください。また、はんだ付け後にPCBが反らないようにしてください。

5.2 湿気感受性と保管

本デバイスは、乾燥剤入りの防湿バリアバッグに梱包されています。

• 開封前:30°C以下、相対湿度（RH）90%以下で保管してください。使用準備が整うまでバッグを開けないでください。
• 開封後 (フロアライフ):コンポーネントは、防湿バッグを開封してから24時間以内にはんだ付けする必要があります。
• ベーキング:保管時間を超過した場合、または乾燥剤が湿気の侵入を示している場合は、使用前に60°C ±5°Cで24時間のベーキング処理が必要です。

6. 梱包と発注

本製品はエンボス加工されたキャリアテープに供給され、リールに巻き取られています。標準の梱包数量はリールあたり2000個です。梱包材料とプロセスは防湿性を考慮して設計されています。リールのラベルには、品番（P/N）、数量（QTY）、ロット番号（LOT No.）などの標準識別子が含まれています。データシートには、光度ランク（CAT）、主波長ランク（HUE）、順方向電圧ランク（REF）のビンも参照されており、製品が事前に選別された性能グレードで入手可能であることを示唆しています。

7. アプリケーション提案と設計上の考慮点

7.1 代表的な用途

• 屋内/屋外LEDビデオディスプレイ:統合制御とデイジーチェーン機能により、低～中解像度のフルカラーディスプレイ、看板、メッセージボードに最適です。
• フルカラーLEDライトストリップ:装飾、建築、エンターテインメント照明用のアドレサブルRGB LEDストリップを実現します。
• LED装飾照明:色変化する照明器具、アクセント照明、インタラクティブなインスタレーションに適しています。
• ゲーミング外装照明:PCケース照明、キーボードバックライト、その他のゲーミング周辺機器に使用できます。
• ライトパイプ/バックライト:広い視野角と白色光の混合により、エッジライト式またはダイレクトライト式の光導波路アプリケーションに適しています。

7.2 重要な設計上の考慮点

1. 電流制限抵抗:これは最も重要な外部部品です。抵抗は、各色チャンネルのアノード供給と直列に配置し（またはすべての色に単一の供給電圧を使用する場合は共通抵抗）、最大電流を設定しLEDを保護する必要があります。抵抗値は、アノード供給電圧（V_anode）、LED順方向電圧（Vf、典型的な曲線から推定）、および希望電流（I、通常20mA）に基づいて計算する必要があります。R = (V_anode - Vf) / I。
2. 電源デカップリング:バイパスコンデンサ（例：0.1µF）をVDDピンの近くに配置し、ICの電源を安定させノイズを除去する必要があります。
3. データラインの完全性:長いデイジーチェーンや電気的にノイズの多い環境では、コントローラ出力に小さな直列抵抗（例：100Ω）を追加するか、データラインにプルアップ抵抗を追加して、クリーンな信号エッジを確保することを検討してください。
4. 熱管理:本パッケージは低電力ですが、高い周囲温度や3つのLEDすべてを最大輝度で同時に駆動すると、電力損失限界に近づく可能性があります。高密度アレイで使用する場合は、十分なPCB銅面積または放熱対策を確保してください。
5. タイミング準拠:データ信号を生成するマイコンまたはドライバは、T0H、T1H、およびリセットタイミング仕様を厳密に遵守し、信頼性の高い通信を確保する必要があります。

8. 技術比較と差別化

C4516SDWN3S1はドライバとLEDを統合しており、これは個別ソリューション（個別LED + 外部ドライバIC）と差別化されます。主な利点は以下の通りです：

• 設計の簡素化:部品点数、PCBフットプリント、および組み立ての複雑さを削減します。
• シングルワイヤ制御:特にマルチピクセルアレイにおいて、個別のクロックとデータラインを必要とするソリューション（例：SPI）と比較して、配線を最小限に抑えます。
• 統合フォームファクタ:P-LCC-6は一般的で組み立てやすいSMDパッケージです。
• 広い視野角:120°の角度は、多くの狭いビーム角のLEDよりも優れており、拡散照明アプリケーションに有益です。
• 潜在的な制限:統合されているため、LEDの性能（波長、強度）は選択されたビンに固定されます。チャンネルあたりの最大出力電流（25mA）はインジケータや装飾目的には適していますが、高出力の個別LEDよりも低い場合があります。

9. よくある質問 (FAQ)

9.1 このLEDは何個までデイジーチェーン接続できますか？

理論的には、非常に多数接続可能であり、主にデータ更新レートによって制限されます。各ピクセルには24ビットのデータが必要です。データレートはビットあたり1.2 µsの時間によって決まります。N個のピクセルのチェーンを更新するには、(24 * N)ビットに加えて、最終的なリセットパルス（>50 µs）が必要です。30 Hzの更新レートでは、数百個のピクセルをチェーン接続できます。実用的な制限は、長いチェーンにおける信号の完全性と電力配分によって設定されます。

9.2 なぜ外部抵抗が絶対に必要なのでしょうか？

統合ドライバICは、各LEDのカソード側に定電流シンクを提供します（内部接続）。しかし、電流値は、アノードピン（外部供給）とICの内部基準電圧との間の電圧差によって設定されます。直列抵抗がない場合、アノード電圧が直接電流を設定します。LED順方向電圧（Vf）は負の温度係数を持ちます（LEDが加熱されると低下します）。供給電圧のわずかな上昇や加熱によるVfの低下は、電流の暴走的な増加を引き起こし、急速な故障につながる可能性があります。抵抗は負のフィードバックを提供し、電流を安定させます。

9.3 3.3VマイコンでDINピンを制御できますか？

可能性はありますが、注意が必要です。VIHの最小値は2.7Vです。3.3Vの論理ハイ（約3.3V）はこの仕様を満たします。しかし、ノイズマージンは減少します。クリーンな信号を確保することが極めて重要です。可能であれば、堅牢な動作のために5Vマイコンまたはレベルシフタの使用が推奨されます。

9.4 電気的特性に記載されているSETピンの目的は何ですか？

主なデータピンはDINですが、入力電圧仕様におけるSETピンの参照は、設定用の追加ピン（例：全体の輝度やモードの設定）が存在する可能性を示唆しています。主要なピン説明には、DI、VDD、Anode、GND、DOUTのみがリストされています。設計者は、特定のバリアントにSETピンが存在する場合、ピン機能を明確にするために、ドライバICデータシートの最も詳細なバージョンを参照する必要があります。

10. 動作原理の紹介

本デバイスは、シンプルなシリアルイン・パラレルアウトのシフトレジスタ原理と定電流シンクを組み合わせて動作します。24ビットのシリアルデータストリームは、DIピンのタイミングによって内部シフトレジスタにクロックインされます。各ビットは、1つの色チャンネルのPWMサイクル内の特定のサブ期間における希望のオン/オフ状態に対応します。24ビットフレーム全体が受信されると、長時間のローレベル信号（リセット）によってこのデータが第2のレジスタセットにラッチされ、出力電流シンクを直接制御します。これらの電流シンクは、各色の8ビット値に比例した各PWM期間の一部の間オンになり、知覚される輝度と色を作り出します。DOUTピンは、内部レジスタからシフトアウトされたデータを提供し、カスケード接続を可能にします。

11. 開発動向と背景

C4516SDWN3S1のようなデバイスは、アドレサブルLED市場の成熟したコスト最適化セグメントを代表しています。この分野の技術動向には以下が含まれます：

• 高集積化:より多くのチャンネル（例：4チャンネルRGBW）を制御するドライバや、ガンマ補正や誤差拡散などの追加機能をICに含める方向へ進化しています。
• 改善された通信プロトコル:シングルワイヤはシンプルですが、より新しいプロトコルはより高いデータレート（WS2812Bの800kHzなど）や改善されたノイズ耐性（プロフェッショナルLEDパネルの差動信号など）を提供します。
• 高ビット深度:8ビット（256階調）から、10ビット、12ビット、さらには16ビットPWM/チャンネルへと進化し、プロフェッショナル照明においてより滑らかな色のグラデーションと高ダイナミックレンジを実現します。
• 強化された熱・電気的性能:電圧降下が低く、効率が高く、熱経路が改善された設計により、より高い持続輝度が可能になります。
• 標準化:大規模設置のためにこれらのピクセルドライバとインターフェースする業界標準デジタルプロトコル（例：DMX、Art-Net）の成長。

このコンポーネントは、低コストのデジタルアドレサブルRGB LEDの主流に確固として位置しており、幅広い消費者および商業アプリケーションにおいて、性能、シンプルさ、コストを効果的にバランスさせています。