SMD RGB светодиод со встроенным драйвером - Техническая спецификация LTSA-E27CQEGBW

1. Обзор продукта

LTSA-E27CQEGBW — это высокопроизводительный поверхностно-монтируемый RGB светодиодный модуль, разработанный для автоматизированной сборки и применений с ограниченным пространством. Он объединяет отдельные кристаллы светодиодов: красный AlInGaP, зелёный InGaN и синий InGaN — в одном компактном корпусе. Ключевым отличием данного продукта является наличие встроенного 8-16-битного 3-канального стабилизатора тока и управляющей микросхемы, которая обеспечивает такие продвинутые функции, как ШИМ-регулировка яркости, температурная компенсация и последовательная передача данных. Эта интеграция упрощает проектирование системы, сокращая количество внешних компонентов и занимаемую площадь на печатной плате.

Модуль размещён в корпусе с рассеивающей линзой, что способствует смешиванию света от отдельных цветных кристаллов для получения более равномерного цветового выхода и широкого угла обзора. Поставляется на 8-миллиметровой ленте, намотанной на катушки диаметром 7 дюймов, что обеспечивает полную совместимость с высокоскоростным автоматическим оборудованием для монтажа. Устройство разработано в соответствии со стандартами RoHS и предварительно кондиционировано по уровню JEDEC Level 2 для повышения надёжности.

1.1 Ключевые особенности и преимущества

• Интегрированная микросхема драйвера:Устраняет необходимость во внешних токоограничивающих резисторах и драйверных схемах для каждого цветового канала. Встроенная микросхема обеспечивает точное управление током до 60 мА на канал.
• Продвинутое управление:Поддерживает 7-битную регулировку тока на канал и до 16-битную ШИМ (широтно-импульсную модуляцию) для плавного, высокоточного диммирования и смешения цветов.
• Температурная компенсация:Оснащена встроенной диагностической функцией, измеряющей температуру перехода светодиода. Эти данные используются внутренним алгоритмом для автоматической корректировки тока через красный кристалл, поддерживая стабильную световую интенсивность и цветовую точку в широком диапазоне рабочих температур (-40°C до +110°C).
• Надёжная связь:Использует последовательный интерфейс связи (вход/выход тактового сигнала, вход/выход данных) с защитой CRC (циклический избыточный код) для надёжной передачи данных, особенно в каскадных конфигурациях или в условиях помех.
• Защита системы:Включает функцию сторожевого таймера для предотвращения мерцания светодиодов, которое может быть вызвано событиями «горячего» подключения или ошибками связи.
• Режимы низкого энергопотребления:Поддерживает спящий режим для снижения энергопотребления в режиме ожидания, что критически важно для устройств с батарейным питанием или энергоэффективных применений.
• Автомобильный класс:Разработан с учётом рекомендаций AEC-Q102 для дискретных оптоэлектронных полупроводников и классифицирован по устойчивости к коррозии (Класс 1B), что делает его пригодным для определённых автомобильных аксессуарных применений.

1.2 Целевые применения и рынки

Данный светодиод разработан для применений, требующих надёжных, компактных и интеллектуальных многоцветных решений освещения. Его основные целевые рынки включают:

• Потребительская электроника:Индикаторы состояния, подсветка и декоративное освещение в устройствах, таких как смартфоны, планшеты, ноутбуки, игровые периферийные устройства и бытовая техника.
• Профессиональное и промышленное оборудование:Панельные индикаторы, сигнальные лампы состояния машин и обратная связь интерфейса «человек-машина» (HMI) в сетевых системах, панелях управления и испытательном оборудовании.
• Автомобильное внутреннее освещение:Некритичные применения внутреннего освещения, такие как фоновое освещение, подсветка приборной панели и индикаторы состояния аксессуаров, выигрывающие от его температурной стабильности и надёжной связи.
• Вывески и дисплеи:Применения для внутренних вывесок с низким разрешением, дисплеи точек продаж и декоративное архитектурное освещение, где требуются возможности смены цвета.

2. Анализ технических параметров

В следующем разделе представлен подробный объективный анализ ключевых электрических, оптических и тепловых параметров, указанных в спецификации. Понимание этих параметров крайне важно для правильного проектирования схемы и прогнозирования производительности.

2.1 Абсолютные максимальные значения

Эти значения определяют пределы нагрузки, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется.

• Напряжение питания микросхемы (VDD):Максимум 5.5 В. Превышение этого напряжения может повредить внутреннюю управляющую схему.
• Выходной ток светодиода (Iout):Максимум 60 мА на канал. Это абсолютный пиковый ток, который может выдержать выходной драйвер; типичные рабочие токи ниже.
• Температура перехода (Tj):Максимум 125°C. Температура полупроводникового перехода внутри светодиода или микросхемы не должна превышать этот предел.
• Рабочая/температура хранения:от -40°C до +110°C. Устройство может храниться и работать в этом полном диапазоне.
• Инфракрасная пайка оплавлением:Выдерживает пиковую температуру 260°C максимум в течение 10 секунд, что является стандартом для бессвинцовых (Pb-free) процессов пайки.

2.2 Электрические и оптические характеристики

Эти параметры измеряются в типичных условиях (Ta=25°C, VDD=5В, 8-битная настройка ШИМ при максимальном значении цвета) и определяют ожидаемую производительность.

• Напряжение питания (VDD):Рекомендуемый рабочий диапазон от 3.3 В до 5.5 В, типичное значение 5.0 В.
• Прямой ток (If):Типичные токи для каждого цвета при максимальной яркости: Красный: 30 мА, Зелёный: 46 мА, Синий: 20 мА. Эти значения задаются внутренним драйвером и могут быть скорректированы через 7-битный регистр управления током.
• Световая сила (Iv):Типичная осевая световая сила для каждого основного цвета при максимальном токе: Красный: 950 мкд, Зелёный: 2170 мкд, Синий: 380 мкд. Минимальные и максимальные значения указывают на ожидаемый разброс при производстве. Калиброванная белая точка (комбинация всех трёх цветов) имеет типичную интенсивность 3500 мкд.
• Доминирующая длина волны (λd):Определяет воспринимаемый цвет каждого светодиода. Типичные значения: Красный: 620 нм, Зелёный: 525 нм, Синий: 465 нм.
• Координаты цветности (x, y):Для калиброванной белой точки целевые координаты составляют x=0.3127, y=0.3290, что соответствует стандартной белой точке D65, часто используемой в качестве эталона для дисплеев и освещения.
• Угол обзора (2θ1/2):120 градусов. Это полный угол, при котором световая сила падает до половины своего осевого значения. Рассеивающая линза способствует такому широкому углу обзора.

2.3 Тепловые характеристики

Теплоотвод критически важен для долговечности и стабильности работы светодиода.

• Тепловое сопротивление, переход-точка пайки (Rth JS):Приведены два значения: Rth JSelec = 63 К/Вт и Rth JSreal = 73 К/Вт. Значение "elec" обычно получено методом электрических измерений, в то время как значение "real" может представлять более консервативную или практичную оценку теплового пути. Эти значения показывают, насколько эффективно тепло отводится от перехода светодиода к точкам пайки на печатной плате. Чем ниже значение, тем лучше. Например, если светодиод рассеивает 0.2 Вт, повышение температуры перехода относительно точки пайки составит примерно 0.2 Вт * 73 К/Вт = 14.6°C.

3. Сортировка и цветовая однородность

В спецификации упоминается система сортировки на основе белой точки D65 с допуском в 3 эллипса МакАдама (3-ступенчатый). Это стандартный метод в индустрии освещения для определения цветовой однородности.

• Эллипсы МакАдама:Эллипс МакАдама на диаграмме цветности представляет собой зону, внутри которой человеческий глаз не воспринимает разницы в цвете при стандартных условиях наблюдения. "3-ступенчатый" эллипс означает, что вариация цвета в три раза превышает размер наименьшего различимого различия (1-ступенчатый эллипс).
• Значение:Все модули LTSA-E27CQEGBW из одной производственной партии (или указанной группы) будут излучать белый свет, координаты цвета которого попадают в 3-ступенчатый эллипс МакАдама вокруг точки D65 (x=0.3127, y=0.3290). Это обеспечивает хорошую цветовую однородность между разными светодиодами в массиве или системе, что жизненно важно для применений, таких как подсветка или многосветодиодные вывески, где несоответствие цветов было бы заметно.

4. Анализ характеристических кривых

Типичные характеристические кривые дают представление о поведении устройства в различных условиях.

4.1 Спектральное распределение

График относительной интенсивности в зависимости от длины волны (Рис.1) показывает спектр излучения для каждого цветного кристалла (красный, зелёный, синий). Ключевые наблюдения включают узкие, чётко выраженные пики, характерные для современных светодиодных полупроводников. Красный кристалл AlInGaP обычно показывает пик около 620 нм, зелёный InGaN — около 525 нм, а синий InGaN — около 465 нм. Ширина этих пиков (полная ширина на половине максимума, FWHM) влияет на чистоту цвета.

3.2 Температура и производительность

Кривая максимальной уставки цвета в зависимости от температуры (Рис.2), вероятно, иллюстрирует, как максимально достижимый коэффициент заполнения ШИМ или уставка тока для стабильной работы могут изменяться с температурой окружающей среды. Этот график необходим для проектирования систем, надёжно работающих во всём температурном диапазоне, гарантируя, что драйверная микросхема не войдёт в тепловое отключение или не снизит выходную мощность преждевременно.

4.3 Пространственная диаграмма направленности

График пространственного распределения (Рис.3) визуально представляет угол обзора в 120 градусов. Он показывает, как распределяется интенсивность света в зависимости от угла относительно центральной оси (0 градусов). Рассеивающая линза создаёт ламбертову или близкую к ламбертовой диаграмму, где интенсивность максимальна в центре и плавно уменьшается к краям, обеспечивая равномерную видимость вне оси.

5. Механическая информация и информация о корпусе

5.1 Габаритные размеры и допуски

Устройство соответствует стандартному посадочному месту для SMD. Все критические размеры приведены в миллиметрах. Общий допуск для размеров корпуса составляет ±0.2 мм, если для конкретного элемента не указано иное. Конструкторы должны обращаться к подробному механическому чертежу в спецификации для точного расположения контактных площадок, высоты компонента и размеров линзы, чтобы обеспечить правильное проектирование посадочного места на печатной плате и зазоры для окружающих компонентов.

5.2 Конфигурация выводов и функции

8-выводное устройство имеет следующую распиновку и функции:

1. LED VDD: Вход питания для общего подключения анодов светодиодов. Должен подаваться вместе с выводом 7.

2. CKO: Выход тактового сигнала для каскадного подключения устройств.

3. DAO: Выход последовательных данных для каскадирования.

4. VPP: Питание высоким напряжением (9-10 В) для программирования однократно программируемой (OTP) памяти. Удерживается на уровне 5 В для чтения/ожидания.

5. CKI: Вход тактового сигнала.

6. DAI: Вход последовательных данных.

7. VDD: Основное напряжение питания (3.3-5.5 В) для внутренней микросхемы.

8. GND: Общий провод (земля).

Важное примечание:Для корректной работы должны быть одновременно запитаны как LED VDD (вывод 1), так и VDD (вывод 7).

6. Рекомендации по пайке и сборке

6.1 Рекомендуемый профиль оплавления

В спецификации приведён рекомендуемый профиль инфракрасной пайки оплавлением для бессвинцовых процессов. Ключевые параметры обычно включают:

- Предварительный нагрев:Плавный подъём температуры для активации флюса и минимизации теплового удара.

- Выдержка (термостабилизация):Плато для обеспечения равномерного нагрева печатной платы и компонента.

- Оплавление:Зона пиковой температуры, где спецификация указывает максимум 260°C в течение до 10 секунд (измеряется на выводах компонента). Это стандартный профиль JEDEC для устройств, чувствительных к влаге.

- Охлаждение:Контролируемый период охлаждения для правильного затвердевания паяных соединений.

Крайне важно следовать этому профилю, чтобы предотвратить повреждение корпуса светодиода, линзы или внутренних проводящих соединений от чрезмерного нагрева или термического напряжения.

6.2 Монтаж и обращение

Устройство поставляется на 8-миллиметровой ленте на катушках 7", совместимых со стандартным оборудованием для поверхностного монтажа. Тонкий профиль (типично 0.65 мм) требует осторожного обращения, чтобы избежать механических напряжений. Во время монтажа следует использовать вакуумные сопла соответствующего размера и давления, чтобы предотвратить повреждение линзы или корпуса. Рекомендуемые инструменты для этого процесса указаны в примечаниях к редакции спецификации.

7. Функциональное описание и схема применения

7.1 Внутренняя структурная схема и принцип работы

Основой модуля является трёхканальный стабилизатор тока (стоковый драйвер). Каждый канал независимо регулирует ток, протекающий через соответствующий светодиод (красный, зелёный, синий), до запрограммированного значения, независимо от вариаций прямого напряжения (Vf) светодиодных кристаллов. Это обеспечивает стабильный цветовой выход для разных экземпляров и во времени. Уровень тока для каждого канала устанавливается через 7-битный регистр (позволяет 128 дискретных уровней тока). Диммирование и смешение цветов достигаются с помощью высокоточного 16-битного ШИМ-контроллера для каждого канала, обеспечивая более 65 000 шагов яркости для чрезвычайно плавных переходов.

7.2 Типовая схема включения

Базовая схема применения требует:

1. Стабильного источника питания от 3.3 В до 5.5 В, подключённого как к VDD (вывод 7), так и к LED VDD (вывод 1).

2. Развязывающего конденсатора 0.1 мкФ, размещённого как можно ближе между выводом VDD (7) и GND (вывод 8) для фильтрации высокочастотных помех и обеспечения стабильной работы микросхемы.

3. Для линий последовательной связи (CKI и DAI) рекомендуется предусмотреть место на печатной плате для небольших RC-фильтров нижних частот (резистор и конденсатор на землю). Эти фильтры помогают улучшить целостность сигнала в условиях электрических помех или при большой длине проводников. Точные значения компонентов должны определяться на основе конкретной тактовой частоты системы и характеристик помех.

4. Вывод VPP (4) должен быть подключён к источнику напряжения. Для нормальной работы (чтение OTP, ожидание) его можно подключить к 5 В. Для программирования памяти OTP (для хранения настроек по умолчанию, таких как калибровка цвета) на этот вывод во время процедуры программирования должно подаваться напряжение от 9.0 В до 10.0 В.

7.3 Передача данных и каскадирование

Устройство использует синхронный последовательный протокол. Для управления микроконтроллер должен отправлять 56-битные кадры данных. Существует два основных типа кадров, выбираемых 3-битным полем Команды:

- Данные ШИМ (CMD=001):Этот 56-битный кадр содержит 16-битные значения ШИМ для каждого из трёх цветовых каналов (всего 48 бит), а также биты команды и CRC. Эти данные управляют мгновенной яркостью.

- Данные основного регистра (CMD=010):Этот кадр программирует конфигурационные регистры устройства, настройки, такие как глобальные ограничения тока, конфигурация ШИМ и включение функций, таких как температурная компенсация или спящий режим.

Несколько устройств могут быть соединены последовательно (гирляндой), подключив DAO и CKO первого устройства к DAI и CKI следующего. Единый поток данных отправляется на первое устройство и проходит по цепочке. Все устройства в цепочке одновременно фиксируют свои новые данные, когда линия тактового сигнала (CKI) удерживается на высоком уровне более 150 микросекунд (сигнал фиксации).

8. Соображения по проектированию и примечания по применению

8.1 Теплоотвод

Несмотря на встроенный драйвер, отвод тепла остаётся критически важным. Приведено тепловое сопротивление от перехода к точке пайки (Rth JS). Конструкторы должны рассчитать ожидаемую рассеиваемую мощность (P_diss = Vf_Red * I_Red + Vf_Green * I_Green + Vf_Blue * I_Blue + (VDD * I_IC)) и обеспечить, чтобы печатная плата обеспечивала адекватный тепловой путь (используя тепловые переходные отверстия, медные полигоны), чтобы поддерживать температуру перехода (Tj) значительно ниже максимальных 125°C, в идеале ниже 85°C для долгосрочной надёжности. Встроенный датчик температуры и компенсация для красного светодиода помогают поддерживать оптические характеристики, но не устраняют необходимости в хорошем физическом тепловом проектировании.

8.2 Последовательность включения питания и развязка

Требование одновременной подачи питания на VDD и LED VDD является критическим. Последовательность включения, при которой один включается раньше другого, может перевести внутреннюю микросхему или светодиоды в неопределённое состояние, потенциально вызывая защёлкивание или повреждение. Развязывающий конденсатор 0.1 мкФ на VDD не является опциональным; он необходим для предотвращения просадок напряжения во время быстрого переключения ШИМ, что может привести к сбросу или нестабильной работе микросхемы.

8.3 Целостность сигнала при каскадировании

При каскадном подключении многих устройств может происходить ухудшение сигнала вдоль линий тактового сигнала и данных. Рекомендуемые RC-фильтры на входах CKI и DAI каждого устройства помогают подавить звон и помехи. Для очень длинных цепочек или высоких тактовых частот могут потребоваться дополнительные меры, такие как правильное согласование импеданса, более короткие проводники или буферные микросхемы, чтобы обеспечить надёжную связь с последним устройством в цепочке.

9. Сравнение и отличия

По сравнению со стандартным RGB светодиодом без драйвера, LTSA-E27CQEGBW предлагает значительные преимущества:

- Упрощённое проектирование:Не требуются внешние резисторы задания тока или транзисторные драйверы для каждого канала.

- Точность и однородность:Стабилизатор тока обеспечивает идентичный ток в каждом светодиоде, что приводит к более однородному цвету и яркости от устройства к устройству, независимо от незначительных вариаций Vf.

- Продвинутые функции:Интегрированная температурная компенсация, высокоточный ШИМ и последовательное управление — это функции, обычно встречающиеся только во внешних драйверных микросхемах, а не в самом корпусе светодиода.

- Сокращение количества компонентов и площади платы:Интегрирует функциональность драйвера в посадочное место светодиода, экономя ценное пространство на печатной плате.

Компромиссом является повышенная сложность управляющего ПО (работа с последовательным протоколом) и несколько более высокая стоимость компонента по сравнению с базовым светодиодом.

10. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1: Могу ли я управлять этим светодиодом с помощью простого вывода GPIO микроконтроллера и резистора?

О: Нет. Аноды светодиодов подключены внутри к стокам тока драйверной микросхемы. Вы должны подать питание на вывод LED VDD и управлять устройством через его последовательный интерфейс (CKI, DAI). Прямое подключение к GPIO не будет работать и может повредить устройство.

В2: Для чего предназначена память OTP?

О: Однократно программируемая память позволяет постоянно хранить настройки конфигурации по умолчанию (например, начальную яркость, смещения калибровки цвета или включение функций) внутри светодиодного модуля. При подаче питания микросхема может прочитать эти настройки из OTP и автоматически сконфигурировать себя, сокращая код инициализации в основном микроконтроллере.

В3: Как рассчитать общее энергопотребление?

О: Вам необходимо учитывать как мощность светодиодов, так и мощность микросхемы. Для светодиодов: P_led = (Средний_Ток_Красный * Vf_Красный) + (Средний_Ток_Зелёный * Vf_Зелёный) + (Средний_Ток_Синий * Vf_Синий). Vf можно оценить по ВАХ или типичным значениям для технологии кристалла (~2.0 В для красного AlInGaP, ~3.2 В для зелёного/синего InGaN). Для микросхемы: P_ic ≈ VDD * I_q (ток покоя, из примечаний по применению). Средние токи зависят от ваших коэффициентов заполнения ШИМ.

В4: Требуется ли радиатор?

О: Для большинства применений с низкой и средней скважностью при комнатной температуре тепловой путь через контактные площадки пайки на печатной плате достаточен. Однако для применений, где все три светодиода работают непрерывно на полной яркости, или при высоких температурах окружающей среды, тщательное тепловое проектирование печатной платы (тепловые переходные отверстия, площадь меди) является обязательным. Отдельный металлический радиатор обычно не крепится непосредственно к этому SMD-корпусу.