內建驅動IC之SMD RGB LED - LTSA-E27CQEGBW 規格書 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

LTSA-E27CQEGBW是一款專為自動化組裝與空間受限應用設計的高性能表面黏著型RGB LED模組。它將獨立的AlInGaP紅光、InGaN綠光與InGaN藍光LED晶片整合於單一緊湊封裝內。本產品的關鍵差異化特色在於內建了8-16位元、3通道恆流驅動與控制IC，提供PWM調光控制、溫度補償與串列資料通訊等進階功能。此整合設計透過減少外部元件數量與PCB佔用面積，簡化了系統設計。

此模組採用擴散式透鏡封裝，有助於混合來自各色晶片的光線，產生更均勻的色彩輸出與更寬廣的視角。產品以8mm載帶包裝於7英吋直徑捲盤上供應，完全相容於高速自動化取放組裝設備。本元件設計符合RoHS規範標準，並預先進行JEDEC Level 2等級處理以提升可靠性。

1.1 核心特色與優勢

• 整合驅動IC：無需為每個色彩通道配置外部限流電阻與驅動電路。內建IC提供每通道最高60mA的精準電流控制。
• 進階控制：支援每通道7位元電流調整與最高16位元PWM（脈衝寬度調變），實現平滑、高解析度的調光與混色。
• 溫度補償：具備內建診斷功能，可量測LED接面溫度。內部演算法利用此數據自動調整紅光LED晶片的驅動電流，在寬廣的工作溫度範圍（-40°C至+110°C）內維持一致的發光強度與色座標。
• 穩健通訊：採用具備CRC（循環冗餘檢查）保護的串列通訊介面（時脈輸入/輸出、資料輸入/輸出），確保可靠的資料傳輸，特別適用於串接配置或高雜訊環境。
• 系統保護：包含看門狗計時器功能，可防止因熱插拔事件或通訊錯誤導致的LED閃爍。
• 低功耗模式：支援休眠模式以降低待機功耗，對於電池供電或節能應用至關重要。
• 車用等級：設計參考AEC-Q102分離式光電半導體指南，並具備腐蝕穩健性等級（Class 1B）分類，適用於特定汽車配件應用。

1.2 目標應用與市場

此LED專為需要可靠、緊湊且智慧型多色照明解決方案的應用而設計。其主要目標市場包括：

• 消費性電子產品：智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、遊戲周邊與家電等裝置中的狀態指示燈、背光與裝飾照明。
• 專業與工業設備：網路系統、控制面板與測試設備中的面板指示燈、機器狀態燈與人機介面（HMI）回饋。
• 汽車內裝照明：非關鍵性內裝照明應用，例如情境照明、儀表板背光與配件狀態指示燈，受益於其溫度穩定性與穩健的通訊能力。
• 標誌與顯示：低解析度室內看板應用、銷售點顯示器以及需要變色功能的裝飾性建築照明。

2. 技術參數分析

以下章節針對規格書中定義的關鍵電氣、光學與熱參數提供詳細、客觀的分析。理解這些參數對於正確的電路設計與效能預測至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。不保證在此條件下操作。

• IC電源電壓（VDD）：最大值5.5V。超過此電壓可能損壞內部控制電路。
• LED輸出電流（Iout）：每通道最大值60mA。這是輸出驅動器可處理的絕對峰值電流；典型工作電流較低。
• 接面溫度（Tj）：最大值125°C。LED或IC內部半導體接面的溫度不得超過此限制。
• 工作/儲存溫度：-40°C至+110°C。元件可在此完整範圍內儲存與操作。
• 紅外線迴焊：可承受峰值溫度260°C最長10秒，此為無鉛（Pb-free）焊接製程的標準。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在典型條件下（Ta=25°C，VDD=5V，最大色彩值之8位元PWM設定）量測，定義了預期的效能。

• 電源電壓（VDD）：建議工作範圍為3.3V至5.5V，典型值為5.0V。
• 順向電流（If）：每種顏色在最大亮度下的典型驅動電流為：紅光：30mA，綠光：46mA，藍光：20mA。這些數值由內部驅動器設定，可透過7位元電流控制暫存器調整。
• 發光強度（Iv）：每種原色在最大電流下的典型軸向發光強度為：紅光：950 mcd，綠光：2170 mcd，藍光：380 mcd。最小與最大值表示預期的生產分布範圍。經校正的白光點（結合三種顏色）典型強度為3500 mcd。
• 主波長（λd）：定義每顆LED的感知顏色。典型值為：紅光：620 nm，綠光：525 nm，藍光：465 nm。
• 色度座標（x, y）：對於經校正的白光點，目標座標為x=0.3127，y=0.3290，對應於標準D65白光點，常作為顯示與照明的參考基準。
• 視角（2θ1/2）：120度。這是發光強度降至軸向值一半時的全角。擴散式透鏡有助於實現此寬廣視角。

2.3 熱特性

熱管理對於LED壽命與效能穩定性至關重要。

• 熱阻，接面至焊點（Rth JS）：提供兩個數值：Rth JSelec = 63 K/W 與 Rth JSreal = 73 K/W。"elec"值通常源自電氣量測方法，而"real"值可能代表更保守或實際的熱路徑估計。這些數值表示熱量從LED接面傳導至PCB焊點的效率。數值越低越好。例如，若LED消耗0.2W功率，接面溫度相對於焊點的溫升約為0.2W * 73 K/W = 14.6°C。

3. 分級與色彩一致性

規格書參考了基於D65白光點、容差為3個麥克亞當橢圓（3階）的分級系統。這是照明產業中定義色彩一致性的標準方法。

• 麥克亞當橢圓：色度圖上的麥克亞當橢圓代表一個區域，在此區域內，人眼在標準觀看條件下感知不到色彩差異。"3階"橢圓意味著色彩變異是最小可感知差異（1階橢圓）的三倍大小。
• 意涵：來自同一生產批次（或指定分級）的所有LTSA-E27CQEGBW單元，其產生的白光之色座標將落在D65點（x=0.3127，y=0.3290）周圍的3階麥克亞當橢圓內。這確保了陣列或系統中不同LED之間良好的色彩均勻性，對於背光或多LED標誌等色彩不匹配會很明顯的應用至關重要。

4. 效能曲線分析

典型效能曲線提供了元件在不同條件下行為的深入見解。

4.1 光譜分布

相對強度對波長圖（圖1）顯示了每種顏色晶片（紅、綠、藍）的光輸出光譜。關鍵觀察包括現代LED半導體特有的窄而明確的峰值。紅光AlInGaP晶片的峰值通常在620nm附近，綠光InGaN在525nm附近，藍光InGaN在465nm附近。這些峰值的寬度（半高全寬，FWHM）影響色彩純度。

4.2 溫度與效能關係

最大色彩設定點對溫度曲線（圖2）可能說明了為穩定操作可達到的最大PWM工作週期或電流設定點如何隨環境溫度變化。此圖對於設計能在整個溫度範圍內可靠運作的系統至關重要，確保驅動IC不會進入熱關斷或過早降低輸出。

4.3 空間輻射圖型

空間分布圖（圖3）以視覺方式呈現120度視角。它顯示了光強度如何作為與中心軸（0度）夾角的函數分布。擴散式透鏡創造了朗伯或近朗伯圖型，強度在中心最高，並向邊緣平滑遞減，提供均勻的離軸可見度。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與公差

本元件符合標準SMD封裝尺寸。所有關鍵尺寸均以毫米提供。封裝尺寸的一般公差為±0.2 mm，除非特定特徵有不同標註。設計師必須參考規格書中的詳細機械圖面，以獲取精確的焊墊布局、元件高度與透鏡尺寸，確保正確的PCB焊墊圖案設計與周圍元件的間隙。

5.2 接腳配置與功能

此8接腳元件具有以下接腳定義與功能：

1. LED VDD：LED陽極共接點的電源輸入。必須與第7腳同時供電。

2. CKO：用於串接裝置的時脈訊號輸出。

3. DAO：用於串接的串列資料輸出。

4. VPP：用於一次性可程式（OTP）記憶體程式設計的高壓電源（9-10V）。讀取/待機時保持5V。

5. CKI：時脈訊號輸入。

6. DAI：串列資料輸入。

7. VDD：內部IC的主要電源電壓（3.3-5.5V）。

. GND: Ground reference.

關鍵注意事項：LED VDD（接腳1）與VDD（接腳7）必須同時供電才能正確運作。

6. 焊接與組裝指南

6.1 建議迴焊曲線

規格書提供了無鉛製程的建議紅外線迴焊曲線。典型關鍵參數包括：

- 預熱：逐漸升溫以活化助焊劑並最小化熱衝擊。

- 均溫（熱穩定）：一個平台期，確保PCB與元件均勻受熱。

- 迴焊：峰值溫度區，規格書規定最高260°C最長10秒（在元件引腳處量測）。這是潮濕敏感元件的標準JEDEC曲線。

- 冷卻：受控的冷卻期，使焊點正確固化。

必須遵循此曲線，以防止過熱或熱應力損壞LED封裝、透鏡或內部打線。

6.2 取放與處理

本元件以8mm載帶包裝於7英吋捲盤上供應，相容於標準SMT組裝設備。其薄型輪廓（典型0.65mm）需要小心處理以避免機械應力。在取放過程中應使用適當尺寸與壓力的真空吸嘴，以防止損壞透鏡或本體。此製程的建議工具在規格書修訂註記中有所規定。

7. 功能描述與應用電路

7.1 內部方塊圖與原理

模組的核心是一個三通道恆流汲極驅動器。每個通道獨立調節流經其對應LED（紅、綠、藍）的電流至程式設定的數值，不受LED晶片順向電壓（Vf）變化的影響。這確保了不同單元間以及隨時間推移的色彩輸出一致性。每個通道的電流位準透過7位元暫存器設定（允許128個離散電流位準）。調光與混色透過每個通道的高解析度16位元PWM控制器實現，提供超過65,000個亮度階梯，實現極其平滑的過渡。

7.2 典型應用電路

基本應用電路需要：

1. 一個穩定的3.3V至5.5V電源，同時連接至VDD（接腳7）與LED VDD（接腳1）。

2. 一個0.1µF旁路電容，盡可能靠近VDD接腳（7）與GND（接腳8）放置，以濾除高頻雜訊並確保IC穩定運作。

3. 對於串列通訊線路（CKI與DAI），建議在PCB上預留小型RC低通濾波器網路（電阻與電容接地）的空間。這些濾波器有助於在電氣雜訊環境中或走線較長時淨化訊號完整性。確切的元件數值應根據特定系統的時脈頻率與雜訊特性決定。

4. VPP接腳（4）必須連接至電壓源。對於正常操作（讀取OTP、待機），可將其連接至5V。若要程式設計OTP記憶體（用於儲存如色彩校正等預設設定），必須在程式設計序列期間對此接腳施加9.0V至10.0V之間的電壓。

7.3 資料通訊與串接

本元件使用同步串列協定。要控制它，微控制器必須發送56位元資料框。主要有兩種框類型，由3位元命令欄位選擇：

- PWM資料（CMD=001）：此56位元框包含三個色彩通道各自的16位元PWM數值（共48位元），加上命令與CRC位元。此資料控制即時亮度。

- 主要暫存器資料（CMD=010）：此框用於程式設計元件的配置暫存器，設定如全域電流限制、PWM配置，以及啟用溫度補償或休眠模式等功能。

多個元件可以透過將第一個元件的DAO與CKO連接到下一個元件的DAI與CKI來串接。單一資料流發送至第一個元件，並通過串接鏈傳遞。當時脈線（CKI）保持高電位超過150微秒（鎖存訊號）時，串接鏈中的所有元件會同時鎖存其新資料。

8. 設計考量與應用註記

8.1 熱管理

儘管整合了驅動器，散熱仍然至關重要。規格書提供了從接面到焊點的熱阻（Rth JS）。設計師必須計算預期的功率消耗（P_diss = Vf_紅光 * I_紅光 + Vf_綠光 * I_綠光 + Vf_藍光 * I_藍光 + (VDD * I_IC)），並確保PCB提供足夠的熱路徑（使用熱導孔、銅箔鋪設），使接面溫度（Tj）遠低於125°C最大值，理想情況下低於85°C以確保長期可靠性。內建的溫度感測器與紅光LED補償有助於維持光學效能，但並未消除良好實體熱設計的需求。

8.2 電源順序與去耦

同時為VDD與LED VDD供電的要求至關重要。若其中一個先於另一個啟用的上電順序，可能使內部IC或LED處於未定義狀態，可能導致鎖定或損壞。VDD上的0.1µF旁路電容並非可選；它是必要的，以防止快速PWM切換期間的電壓驟降，這可能導致IC重置或行為異常。

8.3 串接的訊號完整性

當串接許多元件時，時脈與資料線路上的訊號可能會衰減。建議在每個元件的CKI與DAI輸入端配置RC濾波器，有助於抑制振鈴與雜訊。對於非常長的串接鏈或高時脈速度，可能需要額外措施，如適當的阻抗匹配、較短的走線或緩衝晶片，以確保與串接鏈中最後一個元件的可靠通訊。

9. 比較與差異化

與未整合驅動器的標準RGB LED相比，LTSA-E27CQEGBW提供了顯著優勢：

- 簡化設計：每個通道無需外部電流設定電阻或電晶體驅動器。

- 精準度與一致性：恆流驅動器確保每個LED的電流相同，從而實現單元間更一致的色彩與亮度，不受微小Vf變化的影響。

- 進階功能：整合溫度補償、高解析度PWM與串列控制等功能，通常僅見於外部驅動IC，而非LED封裝本身。

- 減少元件數量與電路板空間：將驅動器功能整合到LED封裝尺寸內，節省了寶貴的PCB空間。

權衡之處在於控制軟體（管理串列協定）的複雜性增加，以及與基本LED相比元件成本略高。

10. 常見問題（FAQ）

Q1：我可以用簡單的微控制器GPIO接腳和一個電阻來驅動這個LED嗎？

A：不行。LED陽極在內部連接到驅動IC的電流汲極。您必須為LED VDD接腳供電，並透過其串列介面（CKI，DAI）控制元件。直接連接到GPIO將無法工作，並可能損壞元件。

Q2：OTP記憶體的用途是什麼？

A：一次性可程式記憶體允許您將預設配置設定（如初始亮度、色彩校正偏移量或功能啟用）永久儲存在LED模組內部。當通電時，IC可以從OTP讀取這些設定並自動配置自身，從而減少主微控制器所需的初始化程式碼。

Q3：如何計算總功耗？

A：您需要同時考慮LED功耗與IC功耗。對於LED：P_led = (平均電流_紅光 * Vf_紅光) + (平均電流_綠光 * Vf_綠光) + (平均電流_藍光 * Vf_藍光)。Vf可以從IV曲線或晶片技術的典型值估算（紅光AlInGaP約2.0V，綠光/藍光InGaN約3.2V）。對於IC：P_ic ≈ VDD * I_q（靜態電流，來自應用註記）。平均電流取決於您的PWM工作週期。

Q4：需要散熱片嗎？

A：對於大多數在室溫下中低工作週期的應用，透過PCB焊墊的熱路徑已足夠。然而，對於連續以全亮度運行所有三個LED的應用，或在高環境溫度下，仔細的PCB熱設計（熱導孔、銅箔面積）至關重要。通常不會直接為此SMD封裝附加單獨的金屬散熱片。