SMD RGB LED 12-23C 規格書 - 8mm 載帶 - 5V 供電 - 256 階灰階 PWM 控制 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

12-23C 是一款緊湊型表面黏著元件，將三個獨立 LED 晶片（紅、綠、藍）與專用的三通道恆流驅動器 IC 整合於單一封裝內。此整合設計使其具備全彩能力，並能透過精確的數位控制實現。其主要優勢在於，對於需要鮮豔、動態控制色彩照明的應用，能在無需複雜外部驅動電路的情況下，實現高密度的 PCB 設計。

其核心功能由一個接收串列數位資料訊號的積體電路驅動。該訊號包含 24 位元資料（每個色彩通道 8 位元），允許每個色彩擁有 256 個不同的灰階等級，從而產生超過 1600 萬種可能的色彩組合。元件以 8mm 載帶包裝，並供應於 7 英吋直徑的捲盤上，使其完全相容於高速自動化取放組裝設備。

2. 技術規格詳解

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極限。操作應始終保持在這些界限內。

• 供電電壓 (VDD)：+3.8V 至 +5.5V。這是內部驅動器 IC 邏輯與控制電路的電壓範圍。
• 輸出電壓 (VOUT)：最大值 17V。此額定值與連接至 LED 陽極的內部驅動器輸出電晶體的耐壓能力有關。
• 輸入電壓 (VIN)：-0.5V 至 VDD+0.5V。適用於數位輸入腳位 (DIN)。超過此範圍可能損壞輸入保護結構。
• 靜電放電 (ESD)：2000V（人體放電模型）。表示具備中等程度的 ESD 保護；仍建議遵循適當的處理程序。
• 操作溫度 (Topr)：-20°C 至 +70°C。可靠操作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度 (Tstg)：-40°C 至 +90°C。
• 焊接溫度：元件適用於迴焊製程，峰值溫度為 260°C 持續 10 秒，或手動焊接於 350°C 持續 3 秒。

2.2 建議操作條件

這些是確保最佳與保證性能的條件。

• 供電電壓 (VDD)：5.0V（典型值）。元件設計用於 5V 邏輯供電。
• 輸入邏輯位準：
  • 高電位輸入電壓 (VIH)：最小值 0.7*VDD。訊號必須高於此位準才能被識別為邏輯 '1'。
  • 低電位輸入電壓 (VIL)：最大值 0.3*VDD。訊號必須低於此位準才能被識別為邏輯 '0'。
• 傳播延遲 (TPLZ)：最大值 300 ns。這是資料訊號從 DIN 腳位傳播到 DOUT 腳位的時間延遲，對於決定串聯配置中的最大資料傳輸速度至關重要。
• 輸出下降時間 (TTHZ)：R/G/B 輸出通道最大值 20 µs。這會影響 PWM 切換特性。
• 輸入電容 (CI)：最大值 15 pF。DIN 腳位呈現的電容性負載。

2.3 電氣與光學特性

測量條件為每個色彩晶片順向電流 (IF) 5mA，環境溫度 (Ta) 25°C。

• 發光強度 (Iv)：
  • 紅色 (RS)：典型值範圍從 22.5 mcd 到 72.0 mcd，取決於特定分級。
  • 綠色 (GH)：典型值範圍從 45.0 mcd 到 140.0 mcd。
  • 藍色 (BH)：典型值範圍從 18.0 mcd 到 57.0 mcd。
• 視角 (2θ1/2)：130 度（典型值）。此寬視角是白色擴散樹脂透鏡的特性。
• 峰值波長 (λp)：
  • 紅色：632 nm
  • 綠色：518 nm
  • 藍色：468 nm
• 主波長 (λd)：感知的色彩波長。
  • 紅色：617.5 nm 至 629.5 nm
  • 綠色：525.0 nm 至 540.0 nm
  • 藍色：464.5 nm 至 476.5 nm
• 頻譜頻寬 (Δλ)：
  • 紅色：20 nm
  • 綠色：35 nm
  • 藍色：25 nm

3. 分級系統說明

元件根據關鍵光學參數進行分級，以確保生產批次內的色彩與亮度一致性。

3.1 發光強度分級

每個色彩晶片分別進行分級。分級代碼（例如 M2、N1、P2）定義了在 IF=5mA 時的最小與最大發光強度範圍。例如，分級為 P1 的紅色晶片，其強度介於 45.0 至 57.0 mcd 之間。規格書提供了紅色 (RS)、綠色 (GH) 和藍色 (BH) 的詳細表格。發光強度容差為 ±11%。

3.2 主波長分級

與強度類似，主波長也進行分級以控制色座標。例如，分級為 'Y' 的綠色晶片，其主波長介於 525.0 nm 至 530.0 nm 之間。規格書提供了所有三種色彩的表格。主波長指定容差為 ±1nm。

4. 性能與時序分析

4.1 時序波形與通訊協定

元件使用單線串列通訊協定。資料在訊號的上升緣被時脈輸入。協定定義了兩種邏輯位準：'0' 碼與 '1' 碼，各自具有特定的高電位時間 (T1H, T0H) 與低電位時間 (T1L, T0L) 要求。

• T0H：300 ns ±80 ns（0 碼，高電位時間）。
• T0L：900 ns ±80 ns（0 碼，低電位時間）。
• T1H：900 ns ±80 ns（1 碼，高電位時間）。
• T1L：300 ns ±80 ns（1 碼，低電位時間）。
• RES（重置時間）：>50 µs。DIN 上的低電位訊號持續時間超過此值，將重置內部移位暫存器並將資料鎖存至輸出。

24 位元資料依序傳輸：通常為 8 位元綠色、8 位元紅色、8 位元藍色（GRB 順序）。多個元件的資料可以從一個元件的 DOUT 串聯到下一個元件的 DIN。

4.2 應用電路

對於 5V 系統，規格書建議在 AVDD（電源）與 GND 腳位之間放置一個 0.1 µF 去耦電容，並盡可能靠近元件，以最小化雜訊並確保穩定操作。內部驅動器為恆流型；然而，絕對最大額定值表明，根據施加的汲極電壓（LED 陽極電壓，高於 VDD），可能需要外部限流電阻以防止過流狀況。具體的電阻值由目標 LED 電流及該電流下 LED 晶片的順向電壓決定。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸

元件具有緊湊的 SMD 佔位面積。尺寸圖顯示了本體尺寸與接腳配置。所有未指定的公差為 ±0.1mm。接腳定義如下：

1. DIN：串列控制訊號的資料輸入。
2. GND：資料與電源的共同接地。
3. DOUT：資料輸出，用於串聯至下一個元件。
4. AVDD：電源輸入，連接至 +5V。

5.2 包裝規格

元件以防潮包裝供應。

• 載帶：8mm 寬載帶，置於 7 英吋直徑捲盤上。每捲包含 2000 個元件。
• 濕度敏感度：元件對濕度敏感（可能為 MSL 3 或類似等級）。注意事項包括：
  • 開袋前儲存：≤30°C / ≤90% RH。
  • 開袋後使用期限：在 ≤30°C / ≤60% RH 條件下為 24 小時。
  • 若超過使用期限，未使用的零件必須重新裝袋並放入乾燥劑。
  • 若乾燥劑指示劑顯示飽和或超過儲存時間，則需要進行烘烤。
• 捲盤與載帶尺寸：提供了捲盤、載帶凹槽與覆蓋膠帶的詳細圖紙。
• 標籤資訊：捲盤標籤包含客戶料號 (CPN)、產品料號 (P/N)、數量 (QTY)，以及發光強度 (CAT)、波長 (HUE) 和順向電壓 (REF) 的特定分級代碼欄位。

6. 焊接、組裝與使用指南

6.1 焊接製程相容性

12-23C 相容於紅外線與氣相迴焊製程，遵循峰值溫度 260°C 持續最多 10 秒的溫度曲線。亦適用於 350°C 持續 3 秒的手動焊接。產品為無鉛設計，並符合 RoHS、歐盟 REACH 與無鹵素標準（Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm）。

6.2 關鍵使用注意事項

• 過流保護：必須使用外部限流電阻與每個 LED 色彩通道串聯。LED 順向電壓具有負溫度係數，意味著電流會隨著溫度升高而增加。若無電阻，即使供電電壓或接面溫度稍有增加，也可能導致熱失控與元件故障。
• ESD 注意事項：雖然額定為 2000V HBM，但在組裝與處理過程中仍應遵循標準 ESD 處理程序。
• 熱管理：最大操作接面溫度受驅動器 IC 與 LED 晶片限制。應使用足夠的 PCB 銅箔面積（散熱墊）於 GND 焊墊以散熱，特別是在以較高電流驅動 LED 時。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用場景

• 室內/室外 LED 視訊顯示屏：由於體積小、整合驅動器及串聯能力，非常適合用於細間距顯示屏。
• 全彩 LED 燈條：實現可定址、可編程的 RGB 照明燈條。
• LED 裝飾照明：建築照明、標誌與情境照明。
• 背光照明：適用於儀表板、開關、LCD 與需要動態色彩的符號。
• 通訊設備：狀態指示燈與鍵盤背光。

7.2 設計考量

• 電源供應：使用乾淨、穩壓的 5V 電源。0.1µF 去耦電容對於抗雜訊至關重要。
• 資料線完整性：對於長串聯鏈路或高速資料傳輸，需考慮走線阻抗，並可能需要在驅動器輸出端附近串聯電阻以減少振鈴現象。
• 電流設定：使用公式計算外部電阻值 (Rext)：Rext = (Vdrain - Vf_led - Vds_sat) / Iled_target。其中 Vdrain 為陽極供電電壓 (<17V)，Vf_led 為目標電流下的 LED 順向電壓，Vds_sat 為驅動器輸出電晶體飽和電壓（若可用，取自驅動器 IC 規格書），Iled_target 為期望的 LED 電流（例如，規格測量用的 5mA）。
• 色彩一致性：對於需要均勻色彩的應用，應向供應商指定嚴格的分級代碼 (CAT 和 HUE)。

8. 技術比較與差異化

12-23C 的主要差異化在於 LED 晶片與驅動器 IC 的整合。相較於使用分離式 LED 搭配獨立驅動器 IC 的方案，此解決方案提供：

• 減少元件數量：需要放置與焊接的零件更少。
• 更小的佔位面積：實現更高密度的設計。
• 簡化 PCB 佈局：無需從中央 IC 佈設高電流驅動走線至遠處的 LED。
• 數位控制簡便性：單一資料線即可控制色彩與亮度，與分離通道的類比 PWM 控制相比，減少了微控制器接腳數量與軟體複雜度。
• 串聯功能：簡化了如燈條等線性陣列的佈線。

9. 常見問題（基於技術參數）

問：我可以使用的最大資料傳輸率是多少？

答：限制因素為傳播延遲（最大值 300ns）以及 T0H/T1H 的時序要求。對資料週期的保守估計約為 1.2µs（'0' 碼的 T0H+T0L），這相當於約 833 kHz 的資料傳輸率。然而，影格之間的重置時間 (50µs) 會降低有效的更新率。

問：我可以用超過 5mA 的電流驅動 LED 嗎？

答：規格書僅指定了 5mA 下的特性。以更高電流驅動將增加發光輸出，但也會增加功耗、接面溫度，並可能縮短使用壽命。最大電流受驅動器 IC 的能力與 LED 自身的額定值限制，此處未完全詳述。降額使用與熱分析至關重要。

問：如何計算外部電阻值？

答：如第 7.2 節所述。您需要 LED 的 Vf 曲線（通常從規格書中的典型值估算）以及您的陽極供電電壓 (Vdrain)。常見的 Vdrain 為 12V。以紅色 LED 在 5mA 為例：若 Vf_red ≈ 2.0V 且 Vds_sat ≈ 0.6V，則 R = (12V - 2.0V - 0.6V) / 0.005A = 1880 Ω。請使用最接近的標準值。

問：峰值波長與主波長有何不同？

答：峰值波長 (λp) 是 LED 頻譜功率分佈曲線最高點對應的波長。主波長 (λd) 是與 LED 感知色彩相匹配的純單色光波長。λd 對於混色與顯示應用更為相關。

10. 操作原理

元件的操作基於一個簡單的原理。內部移位暫存器在 DIN 腳位接收串列資料。此資料根據輸入訊號的時序逐位元被時脈輸入。接收完 24 位元後，DIN 上持續時間超過 RES 時間 (50µs) 的低電位訊號會將此資料鎖存至保持暫存器。保持暫存器的值控制三個獨立的脈衝寬度調變 (PWM) 產生器，每個色彩通道（紅、綠、藍）各一個。每個 8 位元值 (0-255) 設定其對應 PWM 產生器的工作週期，從而控制每個 LED 晶片隨時間的平均電流，亦即亮度。人眼會整合這種快速閃爍，將其感知為具有可調強度的穩定色彩。DOUT 腳位提供輸入資料流的緩衝副本，允許無縫串聯至無限數量的後續元件。