内蔵ドライバ搭載SMD RGB LED - LTSA-E27CQEGBW データシート - 技術文書

1. 製品概要

LTSA-E27CQEGBWは、自動実装およびスペース制約のあるアプリケーション向けに設計された高性能表面実装型RGB LEDモジュールです。個別のAlInGaP赤色、InGaN緑色、InGaN青色LEDチップを単一のコンパクトなパッケージ内に統合しています。この製品の重要な差別化要素は、8-16ビット、3チャネルの定電流ドライバおよび制御ICを内蔵している点であり、PWM調光制御、温度補償、シリアルデータ通信などの高度な機能を提供します。この統合により、外部部品点数とPCB占有面積を削減し、システム設計を簡素化します。

モジュールは拡散レンズパッケージに収められており、個々のカラーチップからの光を混ぜ合わせ、より均一な色出力と広い視野角を実現します。7インチ径リールに巻かれた8mmテープ上で供給され、高速自動ピックアンドプレース実装装置と完全に互換性があります。本デバイスはRoHS適合基準を満たすように設計され、信頼性向上のためにJEDEC Level 2でプリコンディショニングされています。

1.1 中核的特徴と利点

• 統合ドライバIC:各カラーチャネル用の外部電流制限抵抗およびドライバ回路が不要になります。内蔵ICはチャネルあたり最大60mAまでの精密な電流制御を提供します。
• 高度な制御:チャネルごとの7ビット電流調整および最大16ビットPWM（パルス幅変調）をサポートし、滑らかで高解像度の調光およびカラーミキシングを実現します。
• 温度補償:LED接合温度を測定する内蔵診断機能を備えています。このデータは内部アルゴリズムによって使用され、広い動作温度範囲（-40°C ～ +110°C）で赤色LEDチップの駆動電流を自動調整し、一貫した発光強度と色度点を維持します。
• 堅牢な通信:CRC（巡回冗長検査）保護付きのシリアル通信インターフェース（クロック入力/出力、データ入力/出力）を利用し、特にカスケード構成やノイズ環境下での信頼性の高いデータ伝送を実現します。
• システム保護:ウォッチドッグタイマー機能を内蔵し、ホットプラグイベントや通信エラーによって引き起こされる可能性のあるLEDのちらつきを防止します。
• 低消費電力モード:スタンバイ消費電力を低減するスリープモードをサポートし、バッテリー駆動または省エネルギーのアプリケーションに重要です。
• 車載グレード:個別光電子半導体向けAEC-Q102ガイドラインを参照して設計され、耐食性（クラス1B）に分類されているため、特定の車載アクセサリー用途に適しています。

1.2 ターゲットアプリケーションと市場

このLEDは、信頼性が高く、コンパクトで、インテリジェントなマルチカラー照明ソリューションを必要とするアプリケーション向けに設計されています。主なターゲット市場は以下の通りです:

• 民生機器:スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、ゲーム周辺機器、家電製品などのデバイスにおける状態表示、バックライト、装飾照明。
• プロフェッショナルおよび産業機器:ネットワークシステム、制御パネル、試験装置におけるパネル表示灯、機械状態表示灯、人機インターフェース（HMI）フィードバック。
• 車載インテリア照明:アンビエント照明、ダッシュボードバックライト、アクセサリー状態表示灯などの非クリティカルなインテリア照明用途に適しており、その温度安定性と堅牢な通信機能の恩恵を受けます。
• サイネージおよびディスプレイ:色変化機能が求められる、低解像度の屋内看板アプリケーション、POSディスプレイ、装飾建築照明。

2. 技術パラメータ分析

以下のセクションでは、データシートに規定されている主要な電気的、光学的、熱的パラメータについて詳細かつ客観的な分析を提供します。これらのパラメータを理解することは、適切な回路設計と性能予測に不可欠です。

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ストレスの限界を定義します。これらの条件下での動作は保証されません。

• IC電源電圧（VDD）:最大5.5V。この電圧を超えると内部制御回路が損傷する可能性があります。
• LED出力電流（Iout）:チャネルあたり最大60mA。これは出力ドライバが扱える絶対的なピーク電流であり、通常の動作電流はこれより低くなります。
• 接合温度（Tj）:最大125°C。LEDまたはIC内部の半導体接合の温度はこの限界を超えてはなりません。
• 動作/保管温度:-40°C ～ +110°C。デバイスはこの全範囲内で保管および動作可能です。
• 赤外線リフローはんだ付け:最大10秒間、ピーク温度260°Cに耐えます。これは無鉛（Pbフリー）はんだプロセスの標準です。

2.2 電気的および光学的特性

これらのパラメータは、標準条件（Ta=25°C、VDD=5V、最大カラー値での8ビットPWM設定）で測定され、期待される性能を定義します。

• Supply Voltage (VDD):Recommended operating range is 3.3V to 5.5V, with a typical value of 5.0V.
• Forward Current (If):The typical drive currents for each color at maximum brightness are: Red: 30mA, Green: 46mA, Blue: 20mA. These values are set by the internal driver and can be adjusted via the 7-bit current control register.
• Luminous Intensity (Iv):The typical axial luminous intensity for each primary color at maximum current is: Red: 950 mcd, Green: 2170 mcd, Blue: 380 mcd. The minimum and maximum values indicate the expected production spread. The calibrated white point (combining all three colors) has a typical intensity of 3500 mcd.
• Dominant Wavelength (λd):Defines the perceived color of each LED. Typical values are: Red: 620 nm, Green: 525 nm, Blue: 465 nm.
• Chromaticity Coordinates (x, y):For the calibrated white point, the target coordinates are x=0.3127, y=0.3290, which corresponds to the standard D65 white point, often used as a reference for display and lighting.
• 視野角（2θ1/2）:120度。これは発光強度が軸上の値の半分に低下する全角です。拡散レンズがこの広い視野角に寄与しています。

2.3 熱特性

熱管理はLEDの長寿命と性能安定性にとって重要です。

• 熱抵抗、接合部-はんだ付け点間（Rth JS）:2つの値が提供されています: Rth JSelec = 63 K/W および Rth JSreal = 73 K/W。\"elec\"値は通常、電気的測定方法から導出され、\"real\"値はより保守的または実用的な熱経路の推定値を表す場合があります。これらの値は、熱がLED接合部からPCB上のはんだ付け点までどれだけ効果的に移動するかを示します。値が低いほど優れています。例えば、LEDが0.2Wを消費する場合、はんだ付け点に対する接合温度上昇は約0.2W * 73 K/W = 14.6°Cとなります。

3. ビニングと色の一貫性

データシートは、3 MacAdam楕円（3ステップ）の許容差を持つD65白色点に基づくビンランクシステムを参照しています。これは照明業界で色の一貫性を定義する標準的な方法です。

• MacAdam楕円:色度図上のMacAdam楕円は、標準視認条件下で人間の目が色の違いを感知しない領域を表します。\"3ステップ\"楕円とは、色の変動が最小知覚差（1ステップ楕円）の3倍の大きさであることを意味します。
• 意味合い:同じ製造ロット（または指定されたビン）からのすべてのLTSA-E27CQEGBWユニットは、その色度座標がD65点（x=0.3127、y=0.3290）を中心とする3ステップMacAdam楕円内に収まる白色光を生成します。これにより、アレイまたはシステム内の異なるLED間で良好な色の均一性が確保され、色の不一致が目立つバックライトやマルチLEDサイネージなどのアプリケーションにとって重要です。

4. 性能曲線分析

代表的な性能曲線は、デバイスが様々な条件下でどのように動作するかを理解するための洞察を提供します。

4.1 分光分布

相対強度対波長グラフ（図1）は、各カラーチップ（赤、緑、青）の光出力スペクトルを示しています。主な観察事項には、現代のLED半導体に特徴的な狭く明確なピークが含まれます。赤色AlInGaPチップは通常約620nm、緑色InGaNは約525nm、青色InGaNは約465nmにピークを示します。これらのピークの幅（半値全幅、FWHM）は色純度に影響を与えます。

3.2 温度対性能

最大カラー設定値対温度曲線（図2）は、安定動作のための達成可能な最大PWMデューティサイクルまたは電流設定値が周囲温度とともにどのように変化するかを示している可能性があります。このグラフは、全温度範囲で確実に動作するシステムを設計し、ドライバICがサーマルシャットダウンしたり出力を早期に低下させたりしないことを保証するために不可欠です。

4.3 空間放射パターン

空間分布プロット（図3）は、120度の視野角を視覚的に表しています。中心軸（0度）からの角度の関数として光強度がどのように分布するかを示しています。拡散レンズはランバートまたは準ランバートパターンを作り出し、強度は中心で最も高く、端に向かって滑らかに減少し、均一なオフアクシス視認性を提供します。

5. 機械的およびパッケージ情報

5.1 パッケージ寸法と公差

デバイスは標準的なSMDフットプリントに準拠しています。すべての重要な寸法はミリメートルで提供されています。パッケージ寸法の一般的な公差は±0.2 mmです（特定の特徴に異なる指示がある場合を除く）。設計者は、正確なパッドレイアウト、部品高さ、レンズ寸法を確保するために、データシートの詳細な機械図面を参照して、適切なPCBランドパターン設計と周辺部品のクリアランスを確保する必要があります。

5.2 ピン構成と機能

8ピンデバイスは以下のピン配列と機能を持ちます:

1. LED VDD: LEDアノード共通接続用の電源入力。ピン7とともに供給する必要があります。

2. CKO: カスケード接続デバイス用のクロック信号出力。

3. DAO: カスケード接続用のシリアルデータ出力。

4. VPP: ワンタイムプログラマブル（OTP）メモリプログラミング用の高電圧供給（9-10V）。読み取り/スタンバイ時は5Vに保持します。

5. CKI: クロック信号入力。

6. DAI: シリアルデータ入力。

7. VDD: 内部IC用の主電源電圧（3.3-5.5V）。

8. GND: グランド基準。

重要な注意点:正しい動作のためには、LED VDD（ピン1）とVDD（ピン7）の両方を同時に給電する必要があります。

6. はんだ付けおよび実装ガイドライン

6.1 推奨リフロープロファイル

データシートは、無鉛（Pbフリー）プロセス向けの推奨赤外線リフローはんだ付けプロファイルを提供しています。主要なパラメータには通常以下が含まれます:

- プリヒート:フラックスを活性化し、熱衝撃を最小限に抑えるための徐々の温度上昇。

- ソーク（熱安定化）:PCBと部品の均一な加熱を確保するためのプラトー。

- リフロー:ピーク温度ゾーン。データシートでは、最大260°Cを最大10秒間（部品リードで測定）と規定しています。これは湿気敏感デバイス向けの標準的なJEDECプロファイルです。

- 冷却:はんだ接合部を適切に固化させるための制御された冷却期間。

過度の熱または熱応力によるLEDパッケージ、レンズ、または内部ワイヤボンドの損傷を防ぐために、このプロファイルに従うことが必須です。

6.2 ピックアンドプレースおよび取り扱い

デバイスは7インチリール上の8mmテープで供給され、標準的なSMT実装装置と互換性があります。薄型プロファイル（標準0.65mm）であるため、機械的ストレスを避けるために注意深い取り扱いが必要です。レンズまたはボディへの損傷を防ぐために、ピックアンドプレース時には適切なサイズと圧力の真空ノズルを使用する必要があります。このプロセスに推奨されるツールは、データシートの改訂ノートに規定されています。

7. 機能説明およびアプリケーション回路

7.1 内部ブロック図と原理

モジュールの中核は、3チャネル定電流シンクドライバです。各チャネルは、LEDチップの順方向電圧（Vf）の変動に関係なく、それぞれのLED（赤、緑、青）を流れる電流をプログラムされた値に独立して調整します。これにより、異なるユニット間および時間の経過にわたって一貫した色出力が確保されます。各チャネルの電流レベルは7ビットレジスタ（128の離散電流レベルを可能）を介して設定されます。調光およびカラーミキシングは、チャネルごとの高解像度16ビットPWMコントローラーによって達成され、極めて滑らかな遷移のために65,000以上の輝度ステップを提供します。

7.2 代表的なアプリケーション回路

基本的なアプリケーション回路には以下が必要です:

1. VDD（ピン7）とLED VDD（ピン1）の両方に接続された安定した3.3Vから5.5Vの電源。

2. VDDピン（7）とGND（ピン8）の間にできるだけ近くに配置された0.1µFのバイパスコンデンサ。高周波ノイズを除去し、安定したIC動作を確保します。

3. シリアル通信ライン（CKIおよびDAI）については、PCB上に小さなRCローパスフィルターネットワーク（抵抗とグランドへのコンデンサ）のスペースを確保することが推奨されます。これらのフィルターは、電気的にノイズの多い環境や長いトレース長において信号の完全性を改善するのに役立ちます。正確な部品値は、特定のシステムのクロック周波数とノイズ特性に基づいて決定する必要があります。

4. VPPピン（4）は電圧源に接続する必要があります。通常動作（OTP読み取り、スタンバイ）では、5Vに接続できます。OTPメモリ（色校正などのデフォルト設定を保存するため）をプログラムするには、プログラミングシーケンス中に9.0Vから10.0Vの電圧をこのピンに印加する必要があります。

7.3 データ通信とカスケード接続

デバイスは同期シリアルプロトコルを使用します。制御するには、マイクロコントローラーが56ビットのデータフレームを送信する必要があります。3ビットのコマンドフィールドで選択される2つの主要なフレームタイプがあります:

- PWMデータ（CMD=001）:この56ビットフレームには、3つのカラーチャネルそれぞれの16ビットPWM値（合計48ビット）に加えて、コマンドおよびCRCビットが含まれます。このデータは瞬時の輝度を制御します。

- プライマリレジスタデータ（CMD=010）:このフレームは、デバイスの構成レジスタ、グローバル電流制限、PWM構成、温度補償やスリープモードなどの機能の有効化などの設定をプログラムします。

複数のデバイスは、最初のデバイスのDAOとCKOを次のデバイスのDAIとCKIに接続することでデイジーチェーン接続できます。単一のデータストリームが最初のデバイスに送信され、チェーンを通過します。チェーン内のすべてのデバイスは、クロックライン（CKI）が150マイクロ秒以上（ラッチ信号）ハイに保持されたときに、新しいデータを同時にラッチします。

8. 設計上の考慮事項およびアプリケーションノート

8.1 熱管理

統合ドライバにもかかわらず、放熱は依然として重要です。接合部からはんだ付け点までの熱抵抗（Rth JS）が提供されています。設計者は、予想される消費電力（P_diss = Vf_Red * I_Red + Vf_Green * I_Green + Vf_Blue * I_Blue + (VDD * I_IC)）を計算し、PCBが適切な熱経路（サーマルビア、銅箔の使用）を提供して接合温度（Tj）を最大125°Cを十分に下回り、理想的には長期信頼性のために85°C以下に保つことを確認する必要があります。内蔵温度センサーと赤色LEDの補償は光学的性能を維持するのに役立ちますが、良好な物理的熱設計の必要性を排除するものではありません。

8.2 電源シーケンシングとデカップリング

VDDとLED VDDの両方を一緒に給電する要件は重要です。一方が他方より先に有効になるような電源投入シーケンスは、内部ICまたはLEDを未定義の状態にし、ラッチアップや損傷を引き起こす可能性があります。VDD上の0.1µFバイパスコンデンサはオプションではありません。高速PWMスイッチング時の電圧降下を防ぎ、ICがリセットしたり不安定な動作をしたりするのを防ぐために必要です。

8.3 カスケード接続のための信号完全性

多くのデバイスをカスケード接続する場合、クロックおよびデータラインに沿って信号劣化が発生する可能性があります。各デバイスのCKIおよびDAI入力に推奨されるRCフィルターは、リンギングとノイズを抑制するのに役立ちます。非常に長いチェーンや高いクロック速度の場合、適切なインピーダンスマッチング、短いトレース、またはバッファーチップなどの追加対策が必要になる場合があり、チェーンの最後のデバイスまでの信頼性の高い通信を確保します。

9. 比較と差別化

ドライバなしの標準RGB LEDと比較して、LTSA-E27CQEGBWは以下のような重要な利点を提供します:

- 設計の簡素化:各チャネル用の外部電流設定抵抗やトランジスタードライバが不要です。

- 精度と一貫性:定電流ドライバにより、各LEDに同一の電流が流れ、わずかなVfの変動に関係なく、ユニット間でより一貫した色と輝度が得られます。

- 高度な機能:統合温度補償、高解像度PWM、シリアル制御は、通常外部ドライバICにのみ見られる機能であり、LEDパッケージ自体にはありません。

- 部品点数と基板スペースの削減:ドライバ機能をLEDフットプリントに統合し、貴重なPCB面積を節約します。

トレードオフとして、制御ソフトウェアの複雑さ（シリアルプロトコルの管理）が増し、基本的なLEDと比較して部品コストがわずかに高くなります。

10. よくある質問（FAQ）

Q1: このLEDを単純なマイクロコントローラーのGPIOピンと抵抗で駆動できますか？

A: いいえ。LEDアノードは内部でドライバICの電流シンクに接続されています。LED VDDピンに電源を供給し、そのシリアルインターフェース（CKI、DAI）を介してデバイスを制御する必要があります。GPIOへの直接接続は機能せず、デバイスを損傷する可能性があります。

Q2: OTPメモリの目的は何ですか？

A: ワンタイムプログラマブルメモリにより、デフォルトの構成設定（初期輝度、色校正オフセット、機能の有効化など）をLEDモジュール内に永続的に保存できます。電源が投入されると、ICはこれらの設定をOTPから読み取り、自動的に自身を構成することができ、ホストマイクロコントローラーで必要な初期化コードを削減します。

Q3: 総消費電力はどのように計算しますか？

A: LEDの電力とICの電力の両方を考慮する必要があります。LEDの場合: P_led = (Avg_Current_Red * Vf_Red) + (Avg_Current_Green * Vf_Green) + (Avg_Current_Blue * Vf_Blue)。VfはIV曲線またはチップ技術の代表値（赤色AlInGaPで約2.0V、緑色/青色InGaNで約3.2V）から推定できます。ICの場合: P_ic ≈ VDD * I_q（静止電流、アプリケーションノートから）。平均電流はPWMデューティサイクルに依存します。

Q4: ヒートシンクは必要ですか？

A: 室温でのほとんどの低～中デューティサイクルアプリケーションでは、PCBはんだパッドを通る熱経路で十分です。ただし、3つのLEDすべてを連続的に最大輝度で動作させるアプリケーション、または高い周囲温度でのアプリケーションでは、PCBの注意深い熱設計（サーマルビア、銅面積）が不可欠です。別個の金属ヒートシンクは、通常このSMDパッケージに直接取り付けられません。