SMD RGB LED 內置集成電路 - 5.0x5.0x1.6mm - 4.2-5.5V - 358mW - 白色擴散透鏡 - 英文數據手冊

1. 產品概覽

本文件詳細說明一款表面貼裝器件（SMD）LED元件嘅規格，該元件將紅、綠、藍（RGB）半導體芯片連同專用驅動集成電路（IC）整合喺一個緊湊嘅封裝內。呢種集成方案旨在為設計師簡化恆流應用，無需為每個顏色通道使用外部限流電阻或複雜嘅驅動電路。器件採用白色擴散透鏡封裝，有助混合來自各顏色芯片嘅光線，產生更均勻同柔和嘅色彩輸出，適用於指示燈同裝飾照明應用。

1.1 核心優勢與目標市場

呢款元件嘅主要優勢在於其高度集成性。通過內置一個8位恆流PWM（脈衝寬度調製）驅動IC，佢能夠以256級精確數碼控制每個RGB顏色嘅亮度，從而實現超過1670萬種色彩組合。單線級聯數據傳輸協議允許多個單元以菊花鏈方式連接，並由單個微控制器引腳控制，顯著降低多LED應用中嘅佈線複雜性同控制器I/O需求。

呢種特性令該元件特別適合空間受限且對成本敏感、需要多色或全色燈光效果嘅應用。其目標市場包括但不限於消費電子同網絡設備嘅狀態指示器、前面板背光、裝飾燈帶、全彩模組，以及室內LED視頻顯示屏或標牌嘅組成部分。該封裝兼容自動貼片組裝設備同標準紅外（IR）回流焊接工藝，有利於大規模生產。

2. Technical Parameters: In-Depth Objective Interpretation

2.1 絕對最大額定值

此等額定值定義了壓力極限，超出此極限可能會對器件造成永久性損壞。不保證在此極限或接近此極限下操作。

• Power Dissipation (P_D)358 mW。此為封裝件可作為熱量消散嘅最大總功率。超過此限值可能會導致內部集成電路同LED芯片過熱。
• 供電電壓範圍 (V_DD): +4.2V 至 +5.5V。嵌入式集成電路設計用於標稱5V邏輯供電。施加超出此範圍嘅電壓可能會損壞控制電路。
• 總正向電流 (I_F): 65 mA。此為紅、綠、藍通道電流總和的最大值。
• 工作溫度 (T_a): -40°C 至 +85°C。此器件保證在此環境溫度範圍內正常運作。
• 儲存溫度：-40°C 至 +100°C。在此較寬範圍內，裝置可在不通電情況下儲存。

2.2 光學特性

於環境溫度 (T_a溫度為25°C且供電電壓（V_DD）為5V，所有顏色通道設定為最大亮度（數據 = 8'b11111111）。

• 發光強度（I_V):
  • Red (AlInGaP): 600 - 1200 mcd（典型值）
  • 綠色 (InGaN): 1100 - 2200 mcd (典型值)
  • 藍色 (InGaN): 270 - 540 mcd (典型值)
  綠色晶片通常輸出最高，其次係紅色，再跟住係藍色。呢種不平衡喺RGB LED中好常見，必須喺混色演算法中作出調整，先至可以達到預期嘅白點或者特定色調。
• 視角 (2θ_1/2): 120度。呢個闊視角定義為光強度降至軸心值一半時嘅角度，係白色擴散透鏡嘅特點，能夠提供寬闊柔和嘅出光模式，適合區域照明。
• 主波長 (λ_d):
  • 紅色：615 - 630 nm
  • 綠色：515 - 530 nm
  • 藍色：455 - 470 nm
  這些範圍定義了每顆晶片所發出光線的主色。特定單元在此範圍內所屬的具體分檔，決定了其精確的色度座標。

2.3 電氣特性

於全工作溫度範圍（-40°C至+85°C）及供電電壓範圍（4.2V至5.5V）內指定。

• IC 每通道輸出電流 (I_F)：20 mA（典型值）。嵌入式驅動器 IC 將供應至每個獨立紅、綠、藍 LED 晶片的電流調節至此恒定值，確保無論正向電壓如何變化，亮度和色彩一致性均保持穩定。
• 輸入邏輯電平:
  • 高電平輸入電壓 (V_IH): 最小2.7V 至 V_DD兼容3.3V及5V微控制器輸出。
  • 低電平輸入電壓 (V_IL): 0V 至最高 1.0V。
• IC 靜態電流 (I_DD): 1.5 mA (典型值)。此為所有 LED 輸出關閉（所有數據位均為 '0'）時，嵌入式驅動器 IC 自身消耗的電流。

3. Binning System Explanation

3.1 CIE 色度坐標分檔

本文件提供基於 CIE 1931 (x, y) 色度坐標的顏色分檔表。每粒LED的發光均經過測試，並分類到特定檔位（例如 A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3）。每個檔位由色度圖上一個四邊形區域定義，該區域由四個 (x, y) 坐標點指定。歸入某個檔位的容差在 x 和 y 坐標上均為 +/- 0.01。此分檔程序確保不同生產批次之間的顏色一致性。設計師在訂購時可指定檔位代碼，以在應用中實現更緊密的顏色匹配，這對於顏色均勻性至關重要的顯示屏或多LED裝置尤為關鍵。

4. 性能曲線分析

4.1 相對強度與波長關係（光譜分佈）

所提供嘅圖表（圖1）顯示咗紅、綠、藍晶片嘅相對光譜功率分佈。每條曲線都有一個對應其主導波長範圍嘅明顯峰值。紅色曲線嘅峰值中心約為~625nm，綠色約為~525nm，藍色約為~465nm。呢啲峰值嘅寬度（半高全寬）會影響色彩純度；峰值越窄，通常會產生越飽和嘅色彩。綠色同紅色光譜之間嘅重疊極少，呢一點對於實現寬廣色域係有益嘅。

4.2 正向電流與環境溫度降額曲線

該圖表（圖2）展示了最大允許總正向電流（I_F）與環境工作溫度（T_A）之間的關係。隨著溫度升高，最大允許電流呈線性下降。此降額是必要的，以防止LED晶片和驅動IC的結溫超過安全限制，從而加速性能衰退並縮短使用壽命。在最高工作溫度85°C時，允許的總電流顯著低於25°C下規定的65mA絕對最大額定值。可靠的熱設計必須參考此曲線。

4.3 空間分佈（光強分佈圖）

極座標圖（圖3）描繪了歸一化相對光強與視角的函數關係。該圖確認了120度的視角，顯示出平滑、近似朗伯分佈的曲線，此為擴散透鏡的典型特徵。光強在0度（軸上）時最高，並在偏離軸心+/-60度時對稱地下降至峰值強度的50%。

5. 機械與封裝資料

5.1 封裝尺寸及配置

該元件採用表面貼裝封裝，整體尺寸約為長5.0毫米、闊5.0毫米、高1.6毫米（公差±0.2毫米）。封裝配備白色擴散塑膠透鏡。接腳配置包含四個焊盤：

1. VSS: 地線 (0V 參考點)。
2. DIN: 控制數據信號輸入。接收此特定LED的串行數據流。
3. DOUT: 控制數據信號輸出。將接收到的數據流轉發至菊花鏈中下一個LED的DIN引腳。
4. VDD：直流電源輸入（+4.2V 至 +5.5V）。

5.2 建議的 PCB 焊接墊佈局

本文提供焊盤圖案以指導印刷電路板（PCB）設計。遵循這些建議的焊盤尺寸與間距，可確保迴流焊接時形成適當的焊點、可靠的電氣連接及足夠的機械強度。設計通常包含散熱連接及適當的阻焊層開孔。

6. 焊接與組裝指引

6.1 紅外回流焊接溫度曲線

建議採用符合J-STD-020B無鉛焊接標準的紅外線回流焊溫度曲線。該曲線圖顯示關鍵參數：預熱、保溫、回流峰值溫度及冷卻速率。峰值溫度通常不應大幅超過元件最高儲存溫度（100°C）並持續超過指定時間，以避免塑料封裝損壞或內部應力。遵循此曲線對實現可靠焊點至關重要，同時可避免LED及嵌入式IC受到熱衝擊。

6.2 清潔

如需進行焊後清潔，可將元件於室溫下浸入乙醇或異丙醇中不超過一分鐘。禁止使用未指定或腐蝕性化學清潔劑，以免損壞塑料透鏡或封裝材料。

7. 封裝與訂購資料

7.1 帶裝與捲盤規格

元件以壓紋載帶配合保護蓋帶包裝，捲繞於直徑7吋（178毫米）嘅捲盤上。載帶寬度為12毫米。標準包裝數量為每捲1000件，部分捲盤最低訂購量為500件。提供載帶凹槽同捲盤嘅詳細尺寸，確保與自動化組裝設備送料器兼容。

8. 應用建議

8.1 典型應用場景

• 狀態與指示燈照明: 電信、網絡及工業設備中的多色狀態指示燈。
• 裝飾與建築照明：LED燈帶、氣氛照明，以及消費產品中的變色點綴。
• 背光照明：前面板或標誌背光照明，具動態色彩效果。
• 全彩顯示屏: 作為低解像度室內全彩LED顯示屏、訊息板或軟燈板中的獨立像素。

8.2 Design Considerations

• 電源供應: 確保提供潔淨、穩壓的5V電源，並具備足夠電流容量以驅動所用LED數量。當大量LED同時通電時，需考慮湧入電流問題。
• 數據信號完整性對於較長嘅菊花鏈或較高數據速率，如果微控制器以3.3V運行，請考慮信號緩衝或電平轉換，因為V_IH 最小值為2.7V。
• 散熱管理請遵循電流降額曲線（圖2）。在LED焊盤下方及周圍提供足夠嘅PCB銅箔面積作為散熱器，特別係喺高亮度或高環境溫度應用中。
• 混色: 軟件或固件必須考慮到 R、G 和 B 通道的不同發光強度（根據第 2.2 節中的典型值），以實現準確的混色和中性白點。

9. Technical Comparison and Differentiation

與標準分立式RGB LED相比，此元件嘅關鍵區別在於集成咗帶有數碼PWM控制嘅恆流驅動器。分立式RGB LED需要三個獨立嘅限流電阻（或更複雜嘅恆流汲極）同三個微控制器PWM通道進行控制。呢種集成方案整合咗驅動電路，減少PCB上嘅元件數量，簡化韌體（使用串行協議而非多個PWM定時器），並可輕鬆實現菊花鏈連接以擴展安裝規模。代價係單位成本稍高同固定電流設定（通常為20mA）。

10. 常見問題（基於技術參數）

10.1 我可以將幾多粒呢類LED進行菊花鏈連接？

理論上可以串聯非常多粒，因為每粒LED都會重新生成並轉發數據信號。實際上限取決於所需嘅刷新率同數據信號完整性。N粒LED嘅總數據傳輸時間係 N * 24 bits * (1.2 µs ± 300ns) 再加一個重置脈衝。對於30 fps嘅刷新率，串聯數量上限為幾百粒。長串聯可能導致信號衰減，需要定期進行信號增強。

10.2 我可以用3.3V微控制器驅動呢粒LED嗎？

係，輸入高電壓（V_IH）規格最低為2.7V，與3.3V邏輯高電位輸出（約3.3V）相容。請確保微控制器嘅GPIO引腳能夠為DIN輸入提供/吸收足夠電流。電源（V_DD）仍必須維持喺4.2V至5.5V之間。_IH）規格最低為2.7V，與3.3V邏輯高電位輸出（約3.3V）相容。請確保微控制器嘅GPIO引腳能夠為DIN輸入提供/吸收足夠電流。電源（V_DD）仍必須維持喺4.2V至5.5V之間。

10.3 如果每個通道係20mA，點解最大總電流係65mA？

每通道20mA係內部驅動器設定嘅典型工作電流。65mA絕對最大額定值係整個封裝嘅應力極限，考慮咗三粒LED同驅動IC同時以最高亮度運作時產生嘅總熱量。降額曲線（圖2）顯示，喺高溫環境下，安全工作電流遠低於65mA。

11. 實際應用案例示例

場景：設計一個16顆LED變色裝飾燈環。 LED會以環形方式排列並以菊花鏈形式連接。單一組5V、1A電源已足夠驅動（16顆LED * ~1.5mA IC靜態電流 + 16顆LED * 3通道 * 20mA最大電流 * 工作週期）。微控制器（例如Arduino或ESP32）只需一個GPIO引腳連接至第一顆LED的DIN。韌體會產生一個數據流，包含所有16顆LED的24位元顏色值（紅、綠、藍各佔8位元），其後跟隨一個重置脈衝。持續發送此數據流即可創造動畫效果。白色霧面透鏡確保單顆LED光點融合成平滑的光環。

12. Operating Principle Introduction

該裝置採用數碼串行通訊原理運作。內置IC包含每個顏色通道嘅移位寄存器同鎖存器。串行數據流透過DIN引腳時鐘輸入IC。每個數據位由1.2µs固定週期內高脈衝嘅時序表示。「0」位係短高脈衝（約300ns），「1」位係長高脈衝（約900ns）。接收嘅首24位對應綠色、紅色同藍色嘅8位亮度值（通常按此順序：GRB）。接收完24位後，IC會從其DOUT引腳重新傳輸所有後續位，實現數據級聯。DIN上持續超過250µs嘅低電平信號（RESET）會令鏈路中所有IC將接收數據鎖存到輸出驅動器，同步更新LED亮度。

13. Technology Trends

將驅動IC直接集成到LED封裝中，代表了LED元件設計的一個重要趨勢，邁向「智能LED」解決方案。此趨勢降低了系統複雜性，通過減少外部連接提高了可靠性，並實現了更精密的控制（例如單獨可尋址性）。未來的發展可能包括更高的集成度（整合微控制器或無線控制器）、通過片上校準改善色彩一致性、更高的PWM分辨率（10位、12位、16位）以實現更精細的色彩控制，以及增強的通訊協議，具有更高的數據速率和錯誤校正功能，以支持更穩健的大規模安裝。