內建驅動IC之SMD RGB LED - 5.0x5.0x1.6mm - 電壓4.2-5.5V - 功率99mW - 繁體中文技術規格書

1. 產品概述

本文件詳述一款表面黏著元件（SMD）LED的規格，該元件將紅、綠、藍（RGB）半導體晶片與一個內建的8位元驅動積體電路（IC）整合於單一封裝內。此整合方案旨在為設計者簡化定電流應用，無需為每個顏色通道配置外部限流電阻或複雜的驅動電路。

1.1 核心優勢與產品定位

此元件的首要優勢在於其高度整合性。透過結合控制邏輯與RGB發光體，它形成了一個完整、可定址的像素點。此架構對於需要多顆LED的應用特別有利，例如LED燈條、矩陣顯示器和裝飾照明，因為它能顯著減少元件數量、電路板空間和系統複雜度。元件採用符合EIA標準的封裝尺寸，使其相容於自動化取放與紅外線迴焊製程，這對於大量生產至關重要。

1.2 目標應用與市場

此LED專為廣泛的電子設備所設計，其中空間、效率與色彩控制至關重要。其主要應用領域包括：

• 全彩模組與柔光照明：非常適合用於燈條、建築重點照明與情境照明系統中創造動態變色效果。
• 室內顯示器與標誌：適用於不規則視訊顯示、資訊標誌以及需要個別像素控制的裝飾面板。
• 消費性電子產品：可用於狀態指示燈、前面板背光，或網路設備、家電、電腦周邊等裝置的美學照明。
• 工業與辦公室設備：適用於各種工業與辦公室自動化情境中的狀態信號指示與操作員介面照明。

2. 技術參數：深入客觀分析

以下章節根據規格書，詳細且客觀地解析裝置的關鍵性能特性。

2.1 絕對最大額定值與操作限制

這些參數定義了可能導致裝置永久損壞的應力極限。它們並非用於正常操作。

• 功率消耗（P_D）：99 mW。這是封裝能以熱形式散發的最大總功率。超過此限制有過熱和故障的風險。
• 供電電壓範圍（V_DD）：+4.2V 至 +5.5V。內建的IC需要在此範圍內的穩壓電源以供可靠運作。施加超出此範圍的電壓可能損壞控制電路。
• 總順向電流（I_F）：18 mA。這是同時流經紅、綠、藍晶片的電流最大總和。
• 溫度範圍：裝置額定操作溫度為 -40°C 至 +85°C，儲存環境溫度為 -40°C 至 +100°C。

2.2 光學特性

測量條件：環境溫度（T_a）為 25°C，供電電壓（V_DD）為 5V，且所有顏色通道設定為最大亮度（8'b11111111）。

• 發光強度（I_V）：這是光輸出的感知亮度。典型值為：紅光：100-200 mcd，綠光：250-500 mcd，藍光：50-120 mcd。綠光晶片通常具有最高的發光強度。
• 視角（2θ_1/2）：120 度。此寬視角是霧面透鏡的特性，意味著LED在廣闊區域內發光，使其適合從多個角度觀看都很重要的應用。
• 主波長（λ_d）：此參數定義了光的感知顏色。指定範圍為：紅光：615-630 nm，綠光：520-535 nm，藍光：460-475 nm。這些範圍將顏色置於標準可見光譜的紅、綠、藍波段內。

2.3 電氣特性

定義於環境溫度範圍 -20°C 至 +70°C，V_DD從 4.2V 至 5.5V，且 V_SS為 0V。

• IC輸出電流（I_F）：5 mA（典型值）。這是內建驅動IC提供給每個紅、綠、藍LED晶片的定電流。此定電流設計確保穩定的色彩輸出，並保護LED免受電流突波影響。
• 輸入邏輯準位：對於資料輸入（DIN）接腳，邏輯高準位（V_IH）在最小 2.7V 至 V_DD之間被識別。邏輯低準位（V_IL）在最大 1.0V 被識別。這與 3.3V 和 5V 微控制器邏輯相容。
• IC靜態電流（I_DD）：當所有LED資料設定為 '0'（關閉）時為 0.8 mA（典型值）。這是LED未點亮時，內建IC本身消耗的功率。

3. 資料傳輸協定與控制

此裝置採用單線、可串接的通訊協定，允許多個單元以菊鏈方式連接，並由單一微控制器接腳控制。

3.1 協定基礎

資料以DIN接腳上的一系列高低脈衝傳輸。每個位元（'0' 或 '1'）由標稱週期 1.2 µs（±300ns）內的特定時序模式編碼。

• '0' 位元：高準位時間（T_0H）= 300 ns ±150ns，接著低準位時間（T_0L）= 900 ns ±150ns。
• '1' 位元：高準位時間（T_1H）= 900 ns ±150ns，接著低準位時間（T_1L）= 300 ns ±150ns。

時序容許誤差允許微控制器時脈速度有某些變化，但需要精確的軟體或硬體時序以確保可靠通訊。

3.2 資料幀結構

每個LED需要24位元資料來設定其顏色。資料傳送順序為：綠光（8位元）、紅光（8位元）、藍光（8位元）。每個8位元值以256階（0-255）控制該特定顏色通道的亮度。這允許創造 16,777,216（256^3）種可能的色彩組合。

3.3 串接與重置

傳送到第一個LED DIN接腳的資料，會在其內部暫存器中移位，並在24位元後從其DOUT接腳輸出。此DOUT可以連接到鏈中下一個LED的DIN，允許無限數量的LED以串列方式控制。DIN接腳上持續時間超過 250 µs（RESET時間）的低準位信號，會使鏈中的所有LED鎖存目前在其暫存器中的資料並顯示，然後準備從鏈中的第一個LED開始接收新資料。

4. 色彩分級系統

規格書提供基於CIE 1931色度圖的分級表，以分類白色霧面LED的色彩輸出。分級代碼（A, B, C, D）定義了（x, y）色彩座標平面上的四邊形，每個四邊形的容差為 ±0.01。此系統允許製造商和設計師選擇具有一致色彩特性的LED，用於多個單元間色彩均勻性至關重要的應用，例如大型顯示器或照明面板。

5. 性能曲線分析

規格書包含關鍵性能關係的圖形表示。

5.1 相對強度 vs. 波長（光譜分佈）

此曲線顯示每個顏色晶片（紅、綠、藍）的發射光譜。它通常顯示對應於主波長的明顯峰值。這些峰值的寬度表示光譜純度；較窄的峰值表示更飽和的顏色。顏色光譜之間的重疊，特別是在綠黃色區域，將影響混合色彩的品質和範圍（例如，從紅色和綠色創造純黃色）。

5.2 順向電流 vs. 環境溫度降額曲線

此圖對於熱管理至關重要。它顯示每個LED晶片的最大允許順向電流與環境溫度的函數關係。隨著溫度升高，最大安全電流會降低。例如，在25°C時，最大電流可能接近額定的18mA，但在85°C時，最大允許電流顯著降低。設計者必須確保操作電流，特別是在所有三種顏色都處於全亮度時，不超過在最高預期環境溫度下的降額極限，以確保長期可靠性。

5.3 空間分佈（輻射模式）

此極座標圖說明了光強度如何隨相對於LED中心軸的視角而變化。提供的120度視角（2θ_1/2）是強度降至軸上值50%的點。霧面透鏡創造了類似朗伯分佈的模式，在廣闊區域提供均勻照明，而非聚焦光束。

6. 機械與封裝資訊

6.1 封裝尺寸與配置

裝置標稱尺寸為 5.0 mm x 5.0 mm，高度為 1.6 mm。所有尺寸公差為 ±0.2 mm，除非另有說明。俯視圖標示了四個接腳：1（VDD - 電源）、2（DIN - 資料輸入）、3（VSS - 接地）、4（DOUT - 資料輸出）。

6.2 建議的PCB焊接墊佈局

提供了焊墊圖案以指導PCB設計。遵循這些建議的焊墊尺寸和間距，對於在迴焊過程中實現可靠的焊點並確保適當的機械穩定性至關重要。

7. 組裝與處理指南

7.1 焊接製程

此裝置相容於適用於無鉛焊料的紅外線（IR）迴焊製程。規格書參考了根據J-STD-020B標準的溫度曲線。此類曲線中的關鍵參數包括預熱、均熱、迴焊峰值溫度（不得超過裝置的最高額定溫度）和冷卻速率。遵循建議的溫度曲線對於防止熱衝擊、焊點缺陷或損壞LED封裝和內部IC至關重要。

7.2 清潔

如果需要組裝後清潔，建議的方法是將組裝好的電路板在室溫下浸入乙醇或異丙醇中少於一分鐘。禁止使用未指定或侵蝕性強的化學清潔劑，因為它們可能損壞塑膠透鏡或封裝材料。

8. 包裝與訂購

LED以8mm寬的壓紋載帶供應，捲繞在7英吋（178mm）直徑的捲盤上。標準包裝數量為每捲4000顆。載帶和捲盤規格符合ANSI/EIA 481標準，確保與自動化組裝設備相容。提供了載帶口袋和捲盤的詳細尺寸圖，以供物流和機器設置之用。

9. 應用設計考量

9.1 電源設計

一個穩定、低雜訊且在4.2V至5.5V範圍內的電源至關重要。必須計算一串LED的總電流需求：I_total= (LED數量) * (I_{DD_quiescent}) + (點亮的像素數量) * (I_{F_R}+ I_{F_G}+ I_{F_B})。對於大型安裝，需考慮沿著電源線的電壓降，這可能需要在多個點進行電源注入。

9.2 資料信號完整性

對於長的菊鏈或在電氣雜訊環境中，資料線（DIN/DOUT）上的信號完整性可能會下降。緩解策略包括：使用較低的資料速率（如果時序允許）、在微控制器輸出端添加一個小串聯電阻（例如，100-470 Ω）以減少振鈴現象，並確保整個系統有穩固、低阻抗的接地連接。

9.3 熱管理

雖然定電流驅動器提供了固有的保護，但必須管理以熱形式散發的功率（P = V_f* I_f對於每個晶片，加上IC損耗）。如果LED在高亮度水平或高環境溫度下運作，尤其是在密集排列的陣列中，請確保充分的通風或散熱。請參閱第5.2節的降額曲線。

10. 技術比較與差異化

此元件的關鍵差異化因素在於其內建的定電流驅動IC。與需要三個外部限流電阻和一個外部多工或PWM驅動電路的標準RGB LED相比，此整合方案提供了顯著優勢：

• 簡化設計：減少物料清單（BOM）和PCB佈局複雜度。
• 改善一致性：晶片上的定電流源為每個單元中的每種顏色提供相同的驅動條件，從而實現生產批次間更好的色彩均勻性。
• 可串接性：單線協定允許從一個微控制器接腳控制數百個LED，極大地簡化了大型安裝的佈線和控制軟體。
• 高色彩深度：每個顏色通道8位元（256階）控制，實現平滑的漸層和廣闊的色域，優於更簡單的多工或類比控制解決方案。

11. 常見問題（基於技術參數）

問：我可以直接用3.3V微控制器電源為此LED供電嗎？

答：不行。絕對最小供電電壓（V_DD）是4.2V。3.3V電源低於操作範圍，無法正確為內建IC供電。您需要一個獨立的5V（或4.2-5.5V）電源軌來為LED供電。

問：我如何計算我的專案使用100顆此類LED所需的電流？

答：您必須考慮兩個部分：1) IC的靜態電流：100顆LED * 0.8 mA = 80 mA。2) LED電流：這取決於顯示的顏色。在最壞情況下（所有LED顯示全亮度白色），每顆LED消耗約15 mA（3種顏色 * 5 mA）。因此，100顆LED * 15 mA = 1500 mA。總最壞情況電流 ≈ 1580 mA 或 5V下1.58A。您的電源供應器必須能承受此電流。

問：如果資料信號時序稍微超出指定的容差會發生什麼？

答：裝置可能會誤解資料，導致顯示錯誤的顏色或鏈中通訊完全失敗。關鍵是產生時序盡可能接近典型值的資料信號，並保持在±150ns的容許範圍內。

問：需要散熱片嗎？

答：這取決於操作條件。在室溫和中等亮度下，99mW的功率消耗額定值可能足夠。然而，如果在高環境溫度的外殼內連續以最大亮度運作，則應進行熱分析。第5.2節的降額曲線顯示，最大電流必須隨著溫度升高而降低，這是一種間接的熱管理形式。

12. 實際應用範例

情境：為藝術裝置設計一個10x10 RGB LED矩陣面板。

設計步驟：

1. 佈局：將100顆LED排列成網格。將所有VDD接腳連接到共用的5V電源層，並將所有VSS接腳連接到共用的接地層。

2. 電源：計算峰值功率：100顆LED * (0.015A * 5V) = 7.5W。選擇一個5V、8A（40W）並有約20%餘裕的電源供應器。規劃從面板多側進行電源注入，以最小化電壓降。

3. 資料鏈：將同一行中每個LED的DOUT連接到下一個LED的DIN。在每行結束時，DOUT可以連接到下一行第一個LED的DIN，從而創建一條包含100顆LED的單一長鏈。

4. 控制：微控制器（例如ESP32、Arduino）產生資料流。軟體必須發送2400位元（100顆LED * 24位元）的色彩資料，然後是一個 >250 µs 的重置脈衝以使LED更新。有現成的函式庫可以簡化此協定。

5. 熱管理：將LED安裝在鋁基板上，或確保面板有通風，因為在密閉空間中7.5W的熱量會提高環境溫度，從而觸發電流降額的需求。

13. 操作原理

此裝置基於一個簡單但有效的原理運作。內建的IC包含一個移位暫存器和定電流汲極。時序輸入DIN接腳的串列資料在內部24位元暫存器中移位。一旦接收到重置信號，IC便鎖存此資料。鎖存資料的每個8位元段控制一個顏色通道（紅、綠、藍）的脈衝寬度調變（PWM）產生器。PWM信號然後驅動連接到相應LED晶片的定電流汲極。值為255（8'b11111111）會產生100%工作週期（全亮），而值為127會產生約50%工作週期，從而控制亮度。定電流汲極確保LED接收到穩定的電流，無論晶片間或隨溫度變化的順向電壓（V_f）有微小差異。

14. 技術趨勢與背景

此元件代表了LED技術的一個明確趨勢：在封裝層級上提高整合度與智慧化。將驅動器功能移至與發光體相同的基板上（一個常被稱為內建IC的LED或智慧型LED的概念），解決了幾個產業挑戰。它降低了終端使用者的系統成本和複雜度，提高了性能一致性，並實現了新的應用，例如易於擴展、高解析度的可定址顯示器。此趨勢正朝著具有更先進積體電路的LED發展，這些IC能夠支援更高的資料速率（例如用於視訊）、內建用於圖案的記憶體，甚至用於環境光或溫度回饋的感測器，為更自主和適應性的照明系統鋪平了道路。