LED RGB SMD com Driver Integrado - Ficha Técnica LTSA-E27CQEGBW - Documento Técnico em Português

1. Visão Geral do Produto

O LTSA-E27CQEGBW é um módulo LED RGB de alto desempenho e montagem em superfície, projetado para montagem automatizada e aplicações com espaço limitado. Ele integra chips LED individuais de AlInGaP (vermelho), InGaN (verde) e InGaN (azul) num único encapsulamento compacto. Um diferencial fundamental deste produto é a inclusão de um driver e circuito integrado de controlo de corrente constante de 3 canais e 8-16 bits, que fornece funcionalidades avançadas como controlo de intensidade por PWM, compensação de temperatura e comunicação de dados serial. Esta integração simplifica o design do sistema ao reduzir a quantidade de componentes externos e a área ocupada na placa de circuito impresso (PCB).

O módulo é alojado num encapsulamento com lente difusora, que ajuda a misturar a luz dos chips de cor individuais para produzir uma saída de cor mais uniforme e um ângulo de visão mais amplo. É fornecido em fita de 8mm montada em bobinas de 7 polegadas de diâmetro, sendo totalmente compatível com equipamentos de montagem automatizada pick-and-place de alta velocidade. O dispositivo foi concebido para cumprir as normas de conformidade RoHS e é pré-condicionado para o nível JEDEC 2 para maior fiabilidade.

1.1 Características e Vantagens Principais

• Circuito Integrado Driver Integrado:Elimina a necessidade de resistências limitadoras de corrente e circuitos driver externos para cada canal de cor. O CI integrado fornece controlo de corrente preciso até 60mA por canal.
• Controlo Avançado:Suporta ajuste de corrente de 7 bits por canal e PWM (Modulação por Largura de Pulso) de até 16 bits para um dimming suave e de alta resolução e mistura de cores.
• Compensação de Temperatura:Inclui uma função de diagnóstico integrada que mede a temperatura de junção do LED. Estes dados são utilizados por um algoritmo interno para ajustar automaticamente a corrente de acionamento do chip LED vermelho, mantendo uma intensidade luminosa e ponto de cor consistentes numa ampla gama de temperaturas de operação (-40°C a +110°C).
• Comunicação Robusta:Utiliza uma interface de comunicação serial (Entrada/Saída de Relógio, Entrada/Saída de Dados) com proteção CRC (Verificação de Redundância Cíclica) para transmissão de dados fiável, especialmente em configurações em cascata ou ambientes com ruído.
• Proteção do Sistema:Inclui uma função de watchdog timer para prevenir cintilação do LED que pode ser causada por eventos de hot-plug ou erros de comunicação.
• Modos de Baixo Consumo:Suporta um modo de suspensão para reduzir o consumo de energia em standby, o que é crítico para aplicações alimentadas por bateria ou energeticamente eficientes.
• Grau Automóvel:Projetado com referência às diretrizes AEC-Q102 para semicondutores optoeletrónicos discretos e classificado para robustez à corrosão (Classe 1B), tornando-o adequado para certas aplicações de acessórios automóveis.

1.2 Aplicações e Mercados-Alvo

Este LED foi concebido para aplicações que requerem soluções de iluminação multicor fiáveis, compactas e inteligentes. Os seus principais mercados-alvo incluem:

• Eletrónica de Consumo:Indicadores de estado, retroiluminação e iluminação decorativa em dispositivos como smartphones, tablets, portáteis, periféricos de jogos e eletrodomésticos.
• Equipamento Profissional e Industrial:Indicadores de painel, luzes de estado de máquinas e feedback de interface homem-máquina (HMI) em sistemas de rede, painéis de controlo e equipamento de teste.
• Iluminação Interior Automóvel:Aplicações de iluminação interior não críticas, como iluminação ambiente, retroiluminação do painel de instrumentos e indicadores de estado de acessórios, beneficiando da sua estabilidade térmica e comunicação robusta.
• Sinalização e Exposição:Aplicações de painéis de sinalização interior de baixa resolução, expositores de ponto de venda e iluminação arquitetónica decorativa onde são desejadas capacidades de mudança de cor.

2. Análise de Parâmetros Técnicos

A seguinte secção fornece uma análise objetiva e detalhada dos principais parâmetros elétricos, óticos e térmicos especificados na ficha técnica. Compreender estes parâmetros é crucial para um design de circuito adequado e previsão de desempenho.

2.1 Valores Máximos Absolutos

Estes valores definem os limites de stress além dos quais pode ocorrer dano permanente no dispositivo. A operação nestas condições não é garantida.

• Tensão de Alimentação do CI (VDD):Máximo de 5.5V. Exceder esta tensão pode danificar o circuito de controlo interno.
• Corrente de Saída do LED (Iout):Máximo de 60mA por canal. Esta é a corrente de pico absoluta que o driver de saída pode suportar; as correntes de operação típicas são inferiores.
• Temperatura de Junção (Tj):Máximo de 125°C. A temperatura da junção semicondutora dentro do LED ou do CI não deve exceder este limite.
• Temperatura de Operação/Armazenamento:-40°C a +110°C. O dispositivo pode ser armazenado e operado dentro desta gama completa.
• Soldadura por Reflow por Infravermelhos:Suporta uma temperatura de pico de 260°C por um máximo de 10 segundos, o que é padrão para processos de soldadura sem chumbo (Pb-free).

2.2 Características Elétricas e Óticas

Estes parâmetros são medidos em condições típicas (Ta=25°C, VDD=5V, configuração PWM de 8 bits no valor máximo de cor) e definem o desempenho esperado.

• Tensão de Alimentação (VDD):A gama de operação recomendada é de 3.3V a 5.5V, com um valor típico de 5.0V.
• Corrente Direta (If):As correntes de acionamento típicas para cada cor no brilho máximo são: Vermelho: 30mA, Verde: 46mA, Azul: 20mA. Estes valores são definidos pelo driver interno e podem ser ajustados através do registo de controlo de corrente de 7 bits.
• Intensidade Luminosa (Iv):A intensidade luminosa axial típica para cada cor primária na corrente máxima é: Vermelho: 950 mcd, Verde: 2170 mcd, Azul: 380 mcd. Os valores mínimo e máximo indicam a dispersão esperada na produção. O ponto de branco calibrado (combinando as três cores) tem uma intensidade típica de 3500 mcd.
• Comprimento de Onda Dominante (λd):Define a cor percecionada de cada LED. Os valores típicos são: Vermelho: 620 nm, Verde: 525 nm, Azul: 465 nm.
• Coordenadas de Cromaticidade (x, y):Para o ponto de branco calibrado, as coordenadas alvo são x=0.3127, y=0.3290, o que corresponde ao ponto de branco padrão D65, frequentemente utilizado como referência para exposição e iluminação.
• Ângulo de Visão (2θ1/2):120 graus. Este é o ângulo total no qual a intensidade luminosa cai para metade do seu valor axial. A lente difusora contribui para este amplo ângulo de visão.

2.3 Características Térmicas

A gestão térmica é crítica para a longevidade e estabilidade de desempenho do LED.

• Resistência Térmica, Junção-Ponto de Solda (Rth JS):São fornecidos dois valores: Rth JSelec = 63 K/W e Rth JSreal = 73 K/W. O valor \"elec\" é tipicamente derivado de um método de medição elétrica, enquanto o valor \"real\" pode representar uma estimativa mais conservadora ou prática do caminho térmico. Estes valores indicam a eficácia com que o calor viaja da junção do LED para os pontos de solda no PCB. Um valor mais baixo é melhor. Por exemplo, se o LED estiver a dissipar 0.2W, o aumento da temperatura da junção acima do ponto de solda seria aproximadamente 0.2W * 73 K/W = 14.6°C.

3. Binning e Consistência de Cor

A ficha técnica referencia um sistema de classificação de bin baseado no ponto de branco D65 com uma tolerância de 3 elipses de MacAdam (3-step). Este é um método padrão na indústria da iluminação para definir a consistência de cor.

• Elipses de MacAdam:Uma elipse de MacAdam num diagrama de cromaticidade representa uma zona dentro da qual o olho humano não percebe diferença de cor sob condições de visualização padrão. Uma elipse \"3-step\" significa que a variação de cor é três vezes o tamanho da menor diferença percetível (uma elipse de 1-step).
• Implicação:Todas as unidades LTSA-E27CQEGBW do mesmo lote de produção (ou bin especificado) produzirão uma luz branca cujas coordenadas de cor caem dentro de uma elipse de MacAdam de 3-step em torno do ponto D65 (x=0.3127, y=0.3290). Isto garante uma boa uniformidade de cor entre diferentes LEDs num array ou sistema, o que é vital para aplicações como retroiluminação ou sinalização multi-LED onde um desajuste de cor seria percetível.

4. Análise de Curvas de Desempenho

As curvas de desempenho típicas fornecem uma visão sobre como o dispositivo se comporta em condições variáveis.

4.1 Distribuição Espectral

O gráfico de Intensidade Relativa vs. Comprimento de Onda (Fig.1) mostra o espectro de saída de luz para cada chip de cor (Vermelho, Verde, Azul). Observações-chave incluem os picos estreitos e bem definidos característicos dos semicondutores LED modernos. O chip vermelho de AlInGaP mostra tipicamente um pico por volta de 620nm, o verde de InGaN por volta de 525nm, e o azul de InGaN por volta de 465nm. A largura destes picos (Largura a Meia Altura, ou FWHM) influencia a pureza da cor.

3.2 Temperatura vs. Desempenho

A curva de Ponto de Ajuste de Cor Máx. vs. Temperatura (Fig.2) ilustra provavelmente como o ciclo de trabalho PWM máximo alcançável ou o ponto de ajuste de corrente para operação estável pode mudar com a temperatura ambiente. Este gráfico é essencial para projetar sistemas que operam de forma fiável em toda a gama de temperaturas, garantindo que o CI driver não entre em desligamento térmico ou reduza a saída prematuramente.

4.3 Padrão de Radiação Espacial

O gráfico de Distribuição Espacial (Fig.3) representa visualmente o ângulo de visão de 120 graus. Mostra como a intensidade da luz é distribuída em função do ângulo em relação ao eixo central (0 graus). A lente difusora cria um padrão Lambertiano ou quase-Lambertiano, onde a intensidade é máxima no centro e diminui suavemente em direção às bordas, proporcionando visibilidade uniforme fora do eixo.

5. Informação Mecânica e de Encapsulamento

5.1 Dimensões e Tolerâncias do Encapsulamento

O dispositivo está conforme a um footprint SMD padrão. Todas as dimensões críticas são fornecidas em milímetros. A tolerância geral para as dimensões do encapsulamento é de ±0.2 mm, a menos que uma característica específica tenha uma indicação diferente. Os designers devem consultar o desenho mecânico detalhado na ficha técnica para o layout preciso das pastilhas, altura do componente e dimensões da lente, de modo a garantir um design adequado do padrão de solda no PCB e folga para os componentes circundantes.

5.2 Configuração e Função dos Pinos

O dispositivo de 8 pinos tem a seguinte pinagem e funções:

1. LED VDD: Entrada de alimentação para a ligação comum do ânodo do LED. Deve ser fornecida em conjunto com o pino 7.

2. CKO: Saída do Sinal de Relógio para dispositivos em cascata.

3. DAO: Saída de Dados Serial para cascata.

4. VPP: Alimentação de alta tensão (9-10V) para programação da memória OTP (Programável Uma Vez). Mantida a 5V para leitura/standby.

5. CKI: Entrada do Sinal de Relógio.

6. DAI: Entrada de Dados Serial.

7. VDD: Tensão de alimentação primária (3.3-5.5V) para o CI interno.

8. GND: Referência de terra.

Nota Crítica:Tanto o LED VDD (pino 1) como o VDD (pino 7) devem ser alimentados simultaneamente para um funcionamento correto.

6. Diretrizes de Soldadura e Montagem

6.1 Perfil de Reflow Recomendado

A ficha técnica fornece um perfil de soldadura por reflow por infravermelhos sugerido para processos sem chumbo (Pb-free). Os parâmetros-chave incluem tipicamente:

- Pré-aquecimento:Um aumento gradual para ativar o fluxo e minimizar o choque térmico.

- Estabilização Térmica (Soak):Um patamar para garantir um aquecimento uniforme do PCB e do componente.

- Reflow:A zona de temperatura de pico, onde a ficha técnica especifica um máximo de 260°C por até 10 segundos (medido nos terminais do componente). Este é um perfil JEDEC padrão para dispositivos sensíveis à humidade.

- Arrefecimento:Um período de arrefecimento controlado para solidificar corretamente as juntas de solda.

É imperativo seguir este perfil para prevenir danos no encapsulamento do LED, lente ou ligações internas por fio devido a calor excessivo ou stress térmico.

6.2 Pick-and-Place e Manuseamento

O dispositivo é fornecido em fita de 8mm em bobinas de 7\", compatível com equipamento de montagem SMT padrão. O perfil fino (0.65mm típico) requer manuseamento cuidadoso para evitar stress mecânico. Bicos de vácuo de tamanho e pressão apropriados devem ser utilizados durante o pick-and-place para prevenir danos na lente ou corpo. As ferramentas recomendadas para este processo são especificadas nas notas de revisão da ficha técnica.

7. Descrição Funcional e Circuito de Aplicação

7.1 Diagrama de Blocos Interno e Princípio

O núcleo do módulo é um driver de sumidouro de corrente constante de três canais. Cada canal regula independentemente a corrente que flui através do seu respetivo LED (Vermelho, Verde, Azul) para o valor programado, independentemente das variações na tensão direta (Vf) dos chips LED. Isto garante uma saída de cor consistente entre diferentes unidades e ao longo do tempo. O nível de corrente para cada canal é definido através de um registo de 7 bits (permitindo 128 níveis de corrente discretos). O dimming e a mistura de cores são alcançados através de um controlador PWM de alta resolução de 16 bits para cada canal, fornecendo mais de 65.000 passos de brilho para transições extremamente suaves.

7.2 Circuito de Aplicação Típico

Um circuito de aplicação básico requer:

1. Uma alimentação estável de 3.3V a 5.5V ligada tanto ao VDD (pino 7) como ao LED VDD (pino 1).

2. Um condensador de desacoplamento de 0.1µF colocado o mais próximo possível entre o pino VDD (7) e o GND (pino 8) para filtrar ruído de alta frequência e garantir a operação estável do CI.

3. Para as linhas de comunicação serial (CKI e DAI), é recomendado reservar espaço para pequenas redes de filtro passa-baixo RC (resistência e condensador para terra) no PCB. Estes filtros ajudam a limpar a integridade do sinal em ambientes eletricamente ruidosos ou com comprimentos de traço longos. Os valores exatos dos componentes devem ser determinados com base na frequência de relógio e características de ruído do sistema específico.

4. O pino VPP (4) deve ser ligado a uma fonte de tensão. Para operação normal (leitura OTP, standby), pode ser ligado a 5V. Para programar a memória OTP (para armazenar configurações padrão como calibração de cor), uma tensão entre 9.0V e 10.0V deve ser aplicada a este pino durante a sequência de programação.

7.3 Comunicação de Dados e Cascata

O dispositivo utiliza um protocolo serial síncrono. Para o controlar, um microcontrolador deve enviar tramas de dados de 56 bits. Existem dois tipos principais de trama, selecionados por um campo de Comando de 3 bits:

- Dados PWM (CMD=001):Esta trama de 56 bits contém os valores PWM de 16 bits para cada um dos três canais de cor (48 bits no total), mais bits de comando e CRC. Estes dados controlam o brilho instantâneo.

- Dados do Registo Primário (CMD=010):Esta trama programa os registos de configuração do dispositivo, definições como limites de corrente globais, configuração PWM e ativação de funcionalidades como compensação de temperatura ou modo de suspensão.

Múltiplos dispositivos podem ser ligados em cascata conectando o DAO e CKO do primeiro dispositivo ao DAI e CKI do seguinte. Um único fluxo de dados é enviado para o primeiro dispositivo, e ele passa pela cadeia. Todos os dispositivos na cadeia capturam os seus novos dados simultaneamente quando a linha de relógio (CKI) é mantida em nível alto por mais de 150 microssegundos (o sinal de captura).

8. Considerações de Design e Notas de Aplicação

8.1 Gestão Térmica

Apesar do driver integrado, a dissipação de calor permanece crucial. A resistência térmica da junção ao ponto de solda (Rth JS) é fornecida. Os designers devem calcular a dissipação de potência esperada (P_diss = Vf_Vermelho * I_Vermelho + Vf_Verde * I_Verde + Vf_Azul * I_Azul + (VDD * I_IC)) e garantir que o PCB fornece um caminho térmico adequado (usando vias térmicas, áreas de cobre) para manter a temperatura de junção (Tj) bem abaixo do máximo de 125°C, idealmente abaixo de 85°C para fiabilidade a longo prazo. O sensor de temperatura integrado e a compensação para o LED vermelho ajudam a manter o desempenho ótico, mas não eliminam a necessidade de um bom design térmico físico.

8.2 Sequenciamento da Alimentação e Desacoplamento

O requisito de alimentar tanto o VDD como o LED VDD em conjunto é crítico. Uma sequência de arranque onde um é ativado antes do outro poderia colocar o CI interno ou os LEDs num estado indefinido, potencialmente causando latch-up ou danos. O condensador de desacoplamento de 0.1µF no VDD não é opcional; é necessário para prevenir quedas de tensão durante a comutação rápida do PWM, o que poderia fazer o CI reiniciar ou comportar-se erraticamente.

8.3 Integridade do Sinal para Cascata

Ao colocar muitos dispositivos em cascata, pode ocorrer degradação do sinal ao longo das linhas de relógio e dados. Os filtros RC recomendados nas entradas CKI e DAI de cada dispositivo ajudam a suprimir ringing e ruído. Para cadeias muito longas ou velocidades de relógio elevadas, podem ser necessárias medidas adicionais como correspondência de impedância adequada, traços mais curtos ou chips de buffer para garantir comunicação fiável até ao último dispositivo da cadeia.

9. Comparação e Diferenciação

Comparado com um LED RGB padrão sem driver, o LTSA-E27CQEGBW oferece vantagens significativas:

- Design Simplificado:Não são necessárias resistências de definição de corrente ou drivers de transístor externos para cada canal.

- Precisão e Consistência:O driver de corrente constante garante corrente idêntica em cada LED, levando a uma cor e brilho mais consistentes de unidade para unidade, independentemente de pequenas variações de Vf.

- Funcionalidades Avançadas:Compensação de temperatura integrada, PWM de alta resolução e controlo serial são funcionalidades tipicamente encontradas apenas em CIs driver externos, não no próprio encapsulamento do LED.

- Redução da Contagem de Componentes e Espaço na Placa:Integra a funcionalidade do driver na área ocupada pelo LED, poupando espaço valioso no PCB.

A contrapartida é o aumento da complexidade no software de controlo (gerir o protocolo serial) e um custo do componente ligeiramente superior comparado com um LED básico.

10. Perguntas Frequentes (FAQ)

P1: Posso acionar este LED com um simples pino GPIO de um microcontrolador e uma resistência?

R: Não. Os ânodos do LED estão ligados internamente aos sumidouros de corrente do CI driver. Deve fornecer alimentação ao pino LED VDD e controlar o dispositivo através da sua interface serial (CKI, DAI). A ligação direta a GPIO não funcionará e pode danificar o dispositivo.

P2: Qual é o propósito da memória OTP?

R: A memória Programável Uma Vez (OTP) permite armazenar configurações padrão (como brilho inicial, desvios de calibração de cor, ou ativação de funções) permanentemente dentro do módulo LED. Quando a alimentação é aplicada, o CI pode ler estas configurações da OTP e configurar-se automaticamente, reduzindo o código de inicialização necessário no microcontrolador anfitrião.

P3: Como calculo o consumo total de energia?

R: Precisa de considerar tanto a potência do LED como a potência do CI. Para os LEDs: P_led = (Corrente_Média_Vermelho * Vf_Vermelho) + (Corrente_Média_Verde * Vf_Verde) + (Corrente_Média_Azul * Vf_Azul). O Vf pode ser estimado a partir da curva IV ou valores típicos para a tecnologia do chip (~2.0V para AlInGaP Vermelho, ~3.2V para InGaN Verde/Azul). Para o CI: P_ic ≈ VDD * I_q (corrente de repouso, das notas de aplicação). As correntes médias dependem dos seus ciclos de trabalho PWM.

P4: É necessário um dissipador de calor?

R: Para a maioria das aplicações com ciclos de trabalho baixos a médios à temperatura ambiente, o caminho térmico através das pastilhas de solda no PCB é suficiente. No entanto, para aplicações que operam os três LEDs continuamente no brilho máximo, ou em altas temperaturas ambientes, um design térmico cuidadoso do PCB (vias térmicas, área de cobre) é essencial. Um dissipador de calor metálico separado não é tipicamente fixado diretamente a este encapsulamento SMD.