Техническая документация на умный пиксельный светодиод C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H - Корпус P-LCC-6 - 5В - Угол обзора 120°

1. Обзор продукта

C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H — это интегрированный умный пиксельный светодиод. Он объединяет красный, зелёный и синий светодиодные кристаллы со специализированной трёхканальной микросхемой драйвера в одном корпусе P-LCC-6 для поверхностного монтажа (SMD). Такая интеграция упрощает конструкцию, устраняя необходимость во внешних драйверах для каждого цветового канала.

Основная функция встроенной микросхемы драйвера (обозначаемой в документе как 4516-IC) — обеспечение индивидуального 8-битного линейного управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для каждого из красного (R), зелёного (G) и синего (B) светодиодов. Это позволяет создавать 16,7 миллионов цветов (2^24) за счёт точного смешения интенсивности. Управление осуществляется через простой однопроводной последовательный протокол связи, что делает решение экономически эффективным и простым для реализации в различных осветительных конструкциях.

Корпус имеет внутренний отражатель и отлит из бесцветной прозрачной смолы, что способствует широкому углу обзора в 120 градусов. Смешение света трёх основных цветов даёт белое свечение, что делает этот компонент особенно подходящим для подсветки и световодов, где требуется равномерное широкоугольное освещение.

2. Подробный анализ технических параметров

2.1 Предельно допустимые параметры

Эти параметры определяют пределы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа за пределами этих диапазонов не гарантируется.

• Напряжение питания (VDD):Максимум 6.5В. Типичное рабочее напряжение составляет 5В, что обеспечивает безопасный запас.
• Рассеиваемая мощность (PD):Менее 400 мВт. Это ограничивает общее тепло, выделяемое микросхемой и светодиодами вместе.
• Выходной ток светодиода (Iout):Максимум 25 мА на канал. Типичный выходной ток указан как 20 мА в электрических характеристиках.
• Рабочая температура (Topr):от -25°C до +85°C. Это определяет диапазон температуры окружающей среды для надёжной работы.
• Температура хранения (Tstg):от -40°C до +90°C.
• Электростатический разряд (ESD):Выдерживает 2000В, что указывает на базовый уровень защиты при обращении.
• Температура пайки:Совместим с бессвинцовыми процессами: пайка оплавлением при 260°C максимум 10 секунд или ручная пайка при 350°C максимум 3 секунды.

2.2 Электрооптические характеристики

Измерено при Ta=25°C и VDD=5В. Эти параметры определяют характеристики светового потока.

• Сила света (Iv):
  • Красный (R): 450 мкд (Мин) до 1120 мкд (Макс). Типичное значение подразумевается в этом диапазоне.
  • Зелёный (G): 1120 мкд (Мин) до 2800 мкд (Макс). Зелёный канал, как правило, самый яркий.
  • Синий (B): 280 мкд (Мин) до 710 мкд (Макс).
  • Допуск:±11% для силы света.
• Угол обзора (2θ1/2):100° (Мин), 120° (Тип.), 140° (Макс). Широкий типичный угол 120° является ключевой особенностью.
• Доминирующая длина волны (λd):
  • Красный: от 618 нм до 630 нм.
  • Зелёный: от 520 нм до 535 нм.
  • Синий: от 463 нм до 475 нм.
  • Допуск:±1 нм.
• Материалы кристаллов:Красный использует AlGaInP, а зелёный и синий — InGaN, что является стандартом для высокоэффективных светодиодов.

2.3 Электрические характеристики

Параметры для встроенной микросхемы драйвера, указанные для Ta=-20...+70°C и Vdd=4.5...5.5В.

• Выходной ток (IOL):19 мА (Мин), 20 мА (Тип.), 21 мА (Макс). Это постоянный ток, подаваемый на каждый светодиод.
• Логические уровни входа (для выводов DIN, SET):
  • VIH (Высокий уровень входного напряжения): Минимум 2.7В.
  • VIL (Низкий уровень входного напряжения): Максимум 0.3 * Vdd (например, 1.5В макс. при Vdd=5В).
• Напряжение гистерезиса (VH):Типичное 0.35В. Это обеспечивает помехоустойчивость на входных выводах.
• Динамическое потребление тока (IDD_dyn):Типичное 2 мА. Это рабочий ток самой микросхемы драйвера.

3. Протокол связи и временные диаграммы

Устройство использует однопроводную схему связи без возврата к нулю (NRZ) для приёма 24-битных данных (по 8 бит для каждого канала R, G, B).

3.1 Тайминг передачи данных

Логические уровни определяются длительностью высокого импульса в пределах фиксированного цикла 1.2 мкс.

• Логический '0':Время высокого уровня (T0H) = 0.30 мкс (±0.15мкс), время низкого уровня (T0L) = 0.90 мкс.
• Логический '1':Время высокого уровня (T1H) = 0.90 мкс (±0.15мкс), время низкого уровня (T1L) = 0.30 мкс.
• Сигнал сброса/фиксации:Низкий уровень на выводе DIN длительностью более 50 мкс (в спецификации показано более 250 мкс) фиксирует принятые 24-битные данные в выходных регистрах, обновляя яркость светодиодов.

Данные передаются, начиная со старшего бита (MSB) для каждого цвета. Последовательность для одного пикселя: R[7], R[6], ... R[0], G[7], ... G[0], B[7], ... B[0]. Вывод DOUT ретранслирует сигнал, что позволяет соединять несколько устройств последовательно от одной линии данных контроллера.

4. Механическая информация и данные о корпусе

4.1 Габаритные размеры корпуса и распиновка

Устройство выполнено в корпусе P-LCC-6 (пластиковый корпус для микросхем с выводами). Приведённый чертёж размеров показывает типичную посадочную площадку для SMD. Конфигурация выводов следующая:

1. DI (Вход данных):Вход для управляющего сигнала данных.
2. VDD:Питание управляющей схемы / микросхемы (обычно 5В).
3. Анод (Выводы 3 и 4):Соединены внутри. Вход питания для светодиодных кристаллов R, G, B. Должны быть подключены к источнику напряжения через соответствующие токоограничивающие резисторы.
4. GND (Земля):Общая земля для микросхемы и светодиодов.
5. DOUT (Выход данных):Выход управляющего сигнала данных для последовательного соединения с выводом DI следующего устройства.

Важное примечание по проектированию:В спецификации явно указано, что внешние токоограничивающие резисторыобязательнодолжны быть включены последовательно с выводами анода. Без них даже незначительное увеличение напряжения питания анода может вызвать большое, разрушительное изменение тока через светодиоды.

5. Рекомендации по пайке, монтажу и хранению

5.1 Условия пайки

Компонент является бессвинцовым и совместим с пайкой оплавлением. Предоставлен рекомендуемый температурный профиль для бессвинцовой пайки:

• Предварительный нагрев:150–200°C в течение 60–120 секунд (макс. скорость нарастания 3°C/сек).
• Оплавление:Выше 217°C в течение 60–150 секунд, с пиковой температурой не выше 260°C максимум 10 секунд.
• Охлаждение:Максимальная скорость снижения температуры 6°C/сек.
• Важно:Пайку оплавлением не следует выполнять более двух раз. Во время нагрева не следует прикладывать механическое напряжение к корпусу, а плата не должна деформироваться после пайки.

5.2 Чувствительность к влаге и хранение

Устройство упаковано в влагозащитные барьерные пакеты с осушителем.

• До вскрытия:Хранить при ≤30°C и ≤90% относительной влажности (RH). Не вскрывать пакет до готовности к использованию.
• После вскрытия (Срок хранения на производстве):Компоненты должны быть припаяны в течение 24 часов после вскрытия влагозащитного пакета.
• Прогрев (сушка):Если срок хранения превышен или осушитель указывает на проникновение влаги, перед использованием требуется прогрев при 60°C ±5°C в течение 24 часов.

6. Упаковка и заказ

Продукт поставляется на перфорированной несущей ленте, которая затем наматывается на катушки. Стандартное количество на катушке — 2000 штук. Упаковочные материалы и процесс разработаны для защиты от влаги. На этикетке катушки указаны стандартные идентификаторы, такие как номер продукта (P/N), количество (QTY) и номер партии (LOT No.). В спецификации также упоминаются категории для ранжирования по силе света (CAT), доминирующей длине волны (HUE) и прямому напряжению (REF), что указывает на возможность поставки продукта в предварительно отсортированных по характеристикам группах.

7. Рекомендации по применению и особенности проектирования

7.1 Типовые области применения

• Внутренние/наружные светодиодные видеоэкраны:Идеально подходят для полноцветных дисплеев низкого и среднего разрешения, вывесок и информационных табло благодаря интегрированному управлению и возможности последовательного соединения.
• Полноцветные светодиодные ленты:Позволяют создавать адресуемые RGB светодиодные ленты для декоративного, архитектурного и развлекательного освещения.
• Декоративное светодиодное освещение:Подходят для светильников с изменением цвета, акцентной подсветки и интерактивных инсталляций.
• Подсветка для игровых устройств:Могут использоваться для подсветки корпусов ПК, клавиатур или других игровых периферийных устройств.
• Световоды/подсветка:Широкий угол обзора и смешение белого света делают его хорошим кандидатом для применений с боковой или прямой подсветкой световодов.

7.2 Критически важные аспекты проектирования

1. Токоограничивающие резисторы:Это самый важный внешний компонент. Резисторы должны быть включены последовательно с питанием анода для каждого цветового канала (или общий резистор, если используется одно напряжение питания для всех цветов), чтобы установить максимальный ток и защитить светодиоды. Значение должно быть рассчитано на основе напряжения питания анода (V_anode), прямого напряжения светодиода (Vf, оценивается по типичным кривым) и желаемого тока (I, обычно 20мА). R = (V_anode - Vf) / I.
2. Развязка питания:Блокировочный конденсатор (например, 0.1мкФ) должен быть размещён как можно ближе к выводу VDD для стабилизации питания микросхемы и фильтрации помех.
3. Целостность линии данных:Для длинных цепочек или в условиях сильных электрических помех рекомендуется добавить небольшой последовательный резистор (например, 100 Ом) на выходе контроллера и/или подтягивающий резистор на линии данных для обеспечения чистых фронтов сигнала.
4. Тепловой режим:Хотя корпус является маломощным, высокие температуры окружающей среды или одновременная работа всех трёх светодиодов на максимальной яркости могут приблизиться к пределу рассеиваемой мощности. При использовании в плотных массивах необходимо обеспечить достаточную площадь медных проводников на плате или теплоотвод.
5. Соблюдение таймингов:Микроконтроллер или драйвер, генерирующий сигнал данных, должен строго соблюдать спецификации T0H, T1H и тайминга сброса для обеспечения надёжной связи.

8. Техническое сравнение и отличия

C4516SDWN3S1 интегрирует драйвер и светодиоды, что отличает его от дискретных решений (отдельный светодиод + внешняя микросхема драйвера). Ключевые преимущества включают:

• Упрощённое проектирование:Уменьшает количество компонентов, занимаемую площадь на плате и сложность сборки.
• Однопроводное управление:Минимизирует количество проводов, особенно в массивах с множеством пикселей, по сравнению с решениями, требующими отдельных линий тактового сигнала и данных (например, SPI).
• Интегрированный форм-фактор:P-LCC-6 — это распространённый, простой в монтаже SMD-корпус.
• Широкий угол обзора:Угол 120° превосходит многие светодиоды с более узким лучом, что полезно для применений с рассеянным освещением.
• Возможные ограничения:Интеграция означает, что характеристики светодиода (длина волны, интенсивность) фиксированы в выбранных категориях. Максимальный выходной ток на канал (25мА) подходит для индикаторных и декоративных целей, но может быть ниже, чем у мощных дискретных светодиодов.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

9.1 Сколько таких светодиодов можно соединить последовательно?

Теоретически, очень большое количество, ограниченное в основном скоростью обновления данных. Каждому пикселю требуется 24 бита данных. Скорость передачи данных определяется временем 1.2 мкс на бит. Для обновления цепочки из N пикселей требуется (24 * N) бит плюс финальный импульс сброса (>50 мкс). Для частоты обновления 30 Гц можно соединить сотни пикселей. Практический предел определяется целостностью сигнала и распределением питания в длинных цепочках.

9.2 Почему внешние резисторы абсолютно необходимы?

Интегрированная микросхема драйвера обеспечивает постоянный токстокна катодной стороне каждого светодиода (соединённой внутри). Однако значение тока задаётся разностью напряжений между выводом анода (подаётся извне) и внутренним опорным напряжением микросхемы. Без последовательного резистора напряжение анода напрямую задаёт ток. Прямое напряжение светодиода (Vf) имеет отрицательный температурный коэффициент (оно уменьшается при нагреве светодиода). Небольшое увеличение напряжения питания или уменьшение Vf из-за нагрева может вызвать неконтролируемое увеличение тока, приводящее к быстрому выходу из строя. Резистор обеспечивает отрицательную обратную связь, стабилизируя ток.

9.3 Можно ли использовать микроконтроллер на 3.3В для управления выводом DIN?

В принципе, да, но с осторожностью. Минимальное значение VIH составляет 2.7В. Логическая единица 3.3В (~3.3В) соответствует этой спецификации. Однако запас по помехоустойчивости уменьшен. Крайне важно обеспечить чистые сигналы. По возможности, для надёжной работы рекомендуется использовать микроконтроллер на 5В или преобразователь уровней.

9.4 Для чего предназначен вывод SET, упомянутый в электрических характеристиках?

Хотя основным выводом данных является DIN, упоминание вывода SET в спецификациях входного напряжения предполагает, что может быть дополнительный вывод для конфигурации (например, установки общей яркости или режима). Основное описание выводов перечисляет только DI, VDD, Anode, GND, DOUT. Конструкторам следует обратиться к наиболее подробной версии спецификации микросхемы драйвера для уточнения функциональности выводов, если вывод SET присутствует в конкретной модификации.

10. Введение в принцип работы

Устройство работает по простому принципу последовательного сдвигового регистра с параллельным выходом в сочетании со стоками постоянного тока. 24-битный последовательный поток данных тактируется во внутренний сдвиговый регистр через тайминг на выводе DI. Каждый бит соответствует желаемому состоянию вкл/выкл для определённого подпериода в цикле ШИМ для одного цветового канала. После приёма всего 24-битного кадра длительный низкий сигнал (сброс) фиксирует эти данные во втором наборе регистров, которые непосредственно управляют выходными стоками тока. Затем эти стоки тока включаются на часть каждого периода ШИМ, пропорциональную 8-битному значению для каждого цвета, создавая воспринимаемую яркость и цвет. Вывод DOUT предоставляет данные, сдвинутые из внутреннего регистра, что обеспечивает каскадирование.

11. Тенденции развития и контекст

Устройства, подобные C4516SDWN3S1, представляют собой зрелый и оптимизированный по стоимости сегмент рынка адресуемых светодиодов. Технологические тенденции в этой области включают:

• Более высокая интеграция:Движение к драйверам, управляющим большим количеством каналов (например, 4-канальные RGBW) или включающим дополнительные функции, такие как гамма-коррекция и диффузия ошибок, в самой микросхеме.
• Улучшенные протоколы связи:Хотя однопроводной протокол прост, новые протоколы предлагают более высокие скорости передачи данных (например, 800 кГц у WS2812B) или улучшенную помехоустойчивость (дифференциальная передача, как в профессиональных светодиодных панелях).
• Большая разрядность:Переход от 8-битного (256 уровней) к 10-битному, 12-битному или даже 16-битному ШИМ на канал для более плавных цветовых градиентов и высокого динамического диапазона в профессиональном освещении.
• Улучшенные тепловые и электрические характеристики:Конструкции с более низким падением напряжения, более высокой эффективностью и лучшими тепловыми путями для обеспечения более высокой постоянной яркости.
• Стандартизация:Развитие отраслевых стандартных цифровых протоколов (например, DMX, Art-Net) для взаимодействия с этими пиксельными драйверами в крупномасштабных инсталляциях.

Этот компонент прочно занимает место в мейнстриме недорогих, цифрово адресуемых RGB светодиодов, эффективно балансируя производительность, простоту и стоимость для широкого спектра потребительских и коммерческих применений.