C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H 智慧型像素LED規格書 - P-LCC-6封裝 - 5V - 120°視角 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

C4516SDWN3S1-RGBC0120-2H是一款整合式智慧型像素LED元件。它將紅、綠、藍三色LED晶片與專用的三通道驅動積體電路（IC）整合在單一的P-LCC-6表面黏著元件（SMD）封裝內。此整合設計簡化了電路，無需為每個顏色通道配置外部驅動元件。

整合驅動IC（文件中稱為4516-IC）的核心功能是為紅（R）、綠（G）、藍（B）LED提供獨立的8位元脈衝寬度調變（PWM）線性控制。這使得透過精確的強度混合，能夠創造出1670萬種顏色（2^24）。控制是透過簡單的單線串列通訊協定實現，使其在各種照明設計中具有高成本效益且易於實作。

該封裝具有內部反射器，並由無色透明樹脂模製而成，造就了其寬廣的120度視角。三原色LED的光線混合產生白光發射，使此元件特別適合需要均勻、廣角照明的背光與導光管應用。

2. 技術參數深度分析

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能對元件造成永久損壞的極限。不保證在此範圍外操作的安全性。

• 電源電壓（VDD）：最大值6.5V。典型工作電壓為5V，提供安全餘裕。
• 功耗（PD）：小於400 mW。這限制了IC和LED共同產生的總熱量。
• LED輸出電流（Iout）：每通道最大25 mA。電氣特性中指定的典型輸出電流為20 mA。
• 工作溫度（Topr）：-25°C 至 +85°C。此為可靠運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度（Tstg）：-40°C 至 +90°C。
• 靜電放電（ESD）：可承受2000V，表示具備基本的操作保護等級。
• 焊接溫度：相容於無鉛製程：紅外線迴焊在260°C下最長10秒，或手動焊接在350°C下最長3秒。

2.2 電光特性

在Ta=25°C及VDD=5V條件下量測，這些參數定義了光輸出性能。

• 發光強度（Iv）：
  • 紅（R）：450 mcd（最小）至1120 mcd（最大）。典型值在此範圍內。
  • 綠（G）：1120 mcd（最小）至2800 mcd（最大）。綠色通常是亮度最高的通道。
  • 藍（B）：280 mcd（最小）至710 mcd（最大）。
  • 容差：發光強度為±11%。
• 視角（2θ1/2）：100°（最小），120°（典型），140°（最大）。寬廣的120°典型視角是一項關鍵特色。
• 主波長（λd）：
  • 紅：618 nm 至 630 nm。
  • 綠：520 nm 至 535 nm。
  • 藍：463 nm 至 475 nm。
  • 容差：±1 nm。
• 晶片材料：紅色使用AlGaInP，而綠色和藍色使用InGaN，這些是高效能LED的標準材料。

2.3 電氣特性

整合驅動IC的參數，指定於Ta=-20至+70°C及Vdd=4.5至5.5V條件下。

• 輸出電流（IOL）：19 mA（最小），20 mA（典型），21 mA（最大）。這是提供給每個LED的恆定電流。
• 輸入邏輯位準（針對DIN、SET接腳）：
  • VIH（高電位輸入電壓）：最小2.7V。
  • VIL（低電位輸入電壓）：最大0.3 * Vdd（例如，在Vdd=5V時最大為1.5V）。
• 遲滯電壓（VH）：典型值0.35V。這為輸入接腳提供了抗雜訊能力。
• 動態功耗電流（IDD_dyn）：典型值2 mA。這是驅動IC本身的工作電流。

3. 通訊協定與時序

本裝置使用單線、不歸零（NRZ）通訊方案來接收24位元資料（每個R、G、B通道各8位元）。

3.1 資料傳輸時序

邏輯位準由固定週期時間1.2 µs內的高電位脈衝持續時間定義。

• 邏輯 '0'：高電位時間（T0H）= 0.30 µs（±0.15µs），低電位時間（T0L）= 0.90 µs。
• 邏輯 '1'：高電位時間（T1H）= 0.90 µs（±0.15µs），低電位時間（T1L）= 0.30 µs。
• 重置/鎖存訊號：DIN接腳上的低電位訊號持續超過50 µs（具體顯示為超過250 µs）會將接收到的24位元資料鎖存到輸出暫存器中，更新LED亮度。

資料傳輸時，每個顏色通道的最高有效位元（MSB）優先。單一像素的資料順序為：R[7], R[6], ... R[0], G[7], ... G[0], B[7], ... B[0]。DOUT接腳會重新傳輸訊號，允許將多個裝置從單一控制器的資料線串聯起來。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸與接腳定義

本裝置採用P-LCC-6（塑膠有引線晶片載體）封裝。提供的尺寸圖顯示了典型的SMD焊盤圖案。接腳配置如下：

1. DI（資料輸入）：控制資料訊號輸入。
2. VDD：控制電路/IC的電源供應（通常為5V）。
3. 陽極（接腳3 & 4）：這兩腳在內部連接。為R、G、B LED晶片的電源輸入。必須透過適當的限流電阻連接到電壓源。
4. GND（接地）：IC和LED的共用地。
5. DOUT（資料輸出）：控制資料訊號輸出，用於串聯到下一個裝置的DI接腳。

關鍵設計注意事項：規格書明確警告，必須在陽極接腳上串聯外部限流電阻。若沒有這些電阻，即使陽極電源電壓的輕微增加，也可能導致流經LED的電流發生巨大且具破壞性的變化。必須在陽極接腳上串聯外部限流電阻。若沒有這些電阻，即使陽極電源電壓的輕微增加，也可能導致流經LED的電流發生巨大且具破壞性的變化。

5. 焊接、組裝與儲存指南

5.1 焊接條件

本元件為無鉛製程，相容於紅外線迴焊。提供建議的無鉛溫度曲線：

• 預熱：150–200°C，持續60–120秒（最大升溫速率3°C/秒）。
• 迴焊：高於217°C，持續60–150秒，峰值溫度不得超過260°C，最長10秒。
• 冷卻：最大降溫速率為6°C/秒。
• 重要事項：迴焊次數不應超過兩次。加熱過程中不應對封裝施加壓力，且焊接後PCB不應變形。

5.2 濕度敏感度與儲存

本裝置包裝在帶有乾燥劑的防潮袋中。

• 開啟前：儲存於≤30°C且≤90%相對濕度（RH）的環境。使用前請勿開啟袋子。
• 開啟後（車間壽命）：元件必須在開啟防潮袋後24小時內完成焊接。
• 烘烤：若超過儲存時間或乾燥劑顯示濕氣侵入，使用前需進行60°C ±5°C、24小時的烘烤處理。

6. 包裝與訂購資訊

本產品以壓紋載帶供應，並捲繞於捲盤上。標準每捲裝載數量為2000顆。包裝材料和製程設計為防潮。捲盤標籤包含標準識別資訊，如產品編號（P/N）、數量（QTY）和批號（LOT No.）。規格書亦提及發光強度等級（CAT）、主波長等級（HUE）和前向電壓等級（REF）的分類，表示產品可能提供預先分類的性能等級。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用

• 室內/室外LED視訊顯示器：由於整合控制與串聯能力，非常適合中低解析度的全彩顯示器、標誌和訊息看板。
• 全彩LED燈條：實現可定址的RGB LED燈條，用於裝飾、建築和娛樂照明。
• LED裝飾照明：適用於變色燈具、重點照明和互動式裝置。
• 遊戲外設照明：可用於電腦機殼照明、鍵盤背光或其他遊戲周邊設備。
• 導光管/背光：寬廣的視角和白光混合特性，使其成為側光式或直下式導光板應用的理想選擇。

7.2 關鍵設計考量

1. 限流電阻：這是最關鍵的外部元件。必須在每個顏色通道的陽極電源上串聯電阻（如果所有顏色使用單一電源電壓，則可使用一個共用的電阻），以設定最大電流並保護LED。電阻值必須根據陽極電源電壓（V_anode）、LED前向電壓（Vf，從典型曲線估算）和所需電流（I，通常為20mA）計算。公式為：R = (V_anode - Vf) / I。
2. 電源去耦：應在VDD接腳附近放置一個旁路電容（例如0.1µF），以穩定IC電源並濾除雜訊。
3. 資料線完整性：對於長串聯鏈路或在電氣雜訊較大的環境中，可考慮在控制器輸出端添加一個小串聯電阻（例如100Ω）和/或在資料線上添加一個上拉電阻，以確保訊號邊緣清晰。
4. 熱管理：雖然封裝功耗較低，但高環境溫度或同時以最大亮度驅動所有三個LED可能接近功耗極限。若用於高密度陣列，請確保有足夠的PCB銅箔或散熱措施。
5. 時序符合性：產生資料訊號的微控制器或驅動器必須嚴格遵守T0H、T1H和重置時序規格，以確保可靠的通訊。

8. 技術比較與差異化

C4516SDWN3S1整合了驅動器和LED，這使其與分立式解決方案（分離的LED + 外部驅動IC）有所區別。主要優勢包括：

• 設計簡化：減少元件數量、PCB佔用面積和組裝複雜度。
• 單線控制：與需要獨立時脈和資料線（例如SPI）的解決方案相比，最大限度地減少了佈線，特別是在多像素陣列中。
• 整合式外形尺寸：P-LCC-6是一種常見且易於組裝的SMD封裝。
• 寬廣視角：120°視角優於許多光束較窄的LED，對擴散照明應用有益。
• 潛在限制：整合意味著LED性能（波長、強度）固定於所選的分類等級。每通道最大輸出電流（25mA）適合指示燈和裝飾用途，但可能低於高功率分立式LED。

9. 常見問題 (FAQ)

9.1 我可以串聯多少顆這種LED？

理論上，可以串聯非常多顆，主要受限於資料更新率。每個像素需要24位元資料。資料速率由每1.2 µs傳輸一個位元決定。要更新N個像素的串聯鏈路，您需要（24 * N）個位元加上一個最終的重置脈衝（>50 µs）。對於30 Hz的更新率，您可以串聯數百個像素。實際限制取決於長鏈路中的訊號完整性和電源分配。

9.2 為何外部電阻絕對必要？

整合驅動IC在每個LED的陰極側提供一個恆定電流汲入端（內部連接）。然而，電流值是由陽極接腳（外部供電）與IC內部參考電壓之間的電壓差設定的。若沒有串聯電阻，陽極電壓直接設定電流。LED前向電壓（Vf）具有負溫度係數（隨著LED升溫而降低）。電源電壓的輕微增加或由於加熱導致的Vf下降，可能導致電流失控性增加，從而導致快速失效。電阻提供了負回饋，穩定了電流。汲入端（內部連接）。然而，電流值是由陽極接腳（外部供電）與IC內部參考電壓之間的電壓差設定的。若沒有串聯電阻，陽極電壓直接設定電流。LED前向電壓（Vf）具有負溫度係數（隨著LED升溫而降低）。電源電壓的輕微增加或由於加熱導致的Vf下降，可能導致電流失控性增加，從而導致快速失效。電阻提供了負回饋，穩定了電流。

9.3 我可以用3.3V微控制器控制DIN接腳嗎？

有可能，但需謹慎。VIH最小值為2.7V。3.3V邏輯高電位（約3.3V）符合此規格。然而，雜訊邊際減小了。確保訊號乾淨至關重要。如果可能，建議使用5V微控制器或位準轉換器以實現穩健的操作。

9.4 電氣特性中提到的SET接腳用途為何？

雖然主要的資料接腳是DIN，但在輸入電壓規格中提到SET接腳，暗示可能有一個用於配置的額外接腳（例如，設定全域亮度或模式）。主要的接腳描述僅列出DI、VDD、Anode、GND、DOUT。如果特定型號存在SET接腳，設計者應查閱驅動IC規格書的最詳細版本以釐清接腳功能。

10. 工作原理簡介

本裝置基於簡單的串列輸入、並列輸出移位暫存器原理，結合恆定電流汲入端運作。24位元串列資料流透過DI接腳上的時序被時脈輸入內部移位暫存器。每個位元對應於一個顏色通道在PWM週期內特定子週期的期望開/關狀態。一旦接收到完整的24位元幀，一個延長的低電位訊號（重置）會將此資料鎖存到第二組直接控制輸出電流汲入端的暫存器中。這些電流汲入端隨後在每個PWM週期中開啟一段時間，其長度與每個顏色的8位元值成正比，從而產生感知的亮度和顏色。DOUT接腳提供從內部暫存器移位輸出的資料，實現串聯功能。

11. 發展趨勢與背景

像C4516SDWN3S1這樣的裝置代表了可定址LED市場中成熟且成本優化的部分。此領域的技術趨勢包括：

• 更高整合度：朝向控制更多通道（例如4通道RGBW）或在IC中整合伽瑪校正和誤差擴散等附加功能的驅動器發展。
• 改進的通訊協定：雖然單線通訊簡單，但新的協定提供更高的資料速率（如WS2812B的800kHz）或更好的抗雜訊能力（如專業LED面板中的差動訊號傳輸）。
• 更高位元深度：從每通道8位元（256級）發展到10位元、12位元甚至16位元PWM，以實現更平滑的顏色漸變和專業照明中的高動態範圍。
• 增強的熱與電氣性能：設計具有更低的電壓降、更高的效率和更好的熱路徑，以實現更高的持續亮度。
• 標準化：與這些像素驅動器介接的行業標準數位協定（如DMX、Art-Net）的增長，用於大規模安裝。

此元件穩固地定位於低成本、數位可定址RGB LED的主流市場，為廣泛的消費和商業應用有效地平衡了性能、簡易性和成本。