內建驅動IC之SMD RGB LED - 5.0x5.0x1.6mm - 4.2-5.5V - 358mW - 白色霧面透鏡 - 繁體中文規格書

1. 產品概述

本文件詳細說明一款表面黏著元件（SMD）LED的規格，該元件將紅、綠、藍（RGB）半導體晶片以及專用驅動積體電路（IC）整合於單一緊湊封裝內。此整合解決方案旨在簡化設計師的恆流應用，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。元件採用白色霧面透鏡封裝，有助於混合來自各色晶片的光線，產生更均勻、柔和的色彩輸出，適用於指示燈與裝飾照明應用。

1.1 核心優勢與目標市場

此元件的首要優勢在於其高度整合性。透過內建8位元恆流PWM（脈衝寬度調變）驅動IC，它能以256個獨立階層精確數位控制每個RGB顏色的亮度，從而實現超過1670萬種色彩組合。單線串接資料傳輸協定允許多個單元以菊鏈方式連接，並僅需單一微控制器接腳即可控制，這在多LED應用中能顯著降低佈線複雜度與控制器I/O需求。

這使得該元件特別適合空間受限且對成本敏感、需要多色或全彩照明效果的應用。其目標市場包括但不限於：消費性電子與網路設備的狀態指示燈、前面板背光、裝飾燈條、全彩模組，以及室內LED視訊顯示器或標誌的組成元件。此封裝相容於自動貼片組裝設備與標準紅外線（IR）迴焊製程，有利於大量生產。

2. 技術參數：深入客觀解讀

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。不保證在或超過這些極限下運作。

• 功率消耗（P_D)）：358 mW。這是封裝能以熱形式散發的最大總功率。超過此限制有使內部IC與LED晶片過熱的風險。
• 供電電壓範圍（V_DD)）：+4.2V 至 +5.5V。內建IC設計用於標稱5V邏輯電源。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)）：65 mA。這是流經紅、綠、藍通道的電流總和最大值。
• 工作溫度（T_a)）：-40°C 至 +85°C。保證元件在此環境溫度範圍內正常運作。
• 儲存溫度）：-40°C 至 +100°C。元件可在未施加電源的狀態下於此更寬的溫度範圍內儲存。

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，且所有顏色通道均設定為最大亮度（資料 = 8'b11111111）。

• 發光強度（I_V):
  • 紅色（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）
  綠色晶片通常具有最高輸出，其次是紅色，再來是藍色。這種不平衡在RGB LED中很常見，必須在混色演算法中考慮此點，以達到期望的白點或特定色調。
• 視角（2θ_1/2)）：120度。此寬廣視角定義為發光強度降至軸心值一半的角度，是白色霧面透鏡的特性，提供寬廣、柔和的光線發射模式，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
  這些範圍定義了每個晶片發射的主要光色。特定元件在這些範圍內所屬的特定分級（Bin）決定了其精確的色度座標。

2.3 電氣特性

規格適用於整個工作溫度範圍（-40°C 至 +85°C）與供電電壓範圍（4.2V 至 5.5V）。

• IC每通道輸出電流（I_F)）：20 mA（典型值）。內建驅動IC將供應給每個紅、綠、藍LED晶片的電流調節至此恆定值，確保亮度穩定與色彩一致性，不受順向電壓變化的影響。
• 輸入邏輯位準:
  • 高電位輸入電壓（V_IH）：最小值2.7V 至 V_DD。相容於3.3V與5V微控制器輸出。
  • 低電位輸入電壓（V_IL）：0V 至 最大值1.0V。
• IC靜態電流（I_DD)）：1.5 mA（典型值）。這是當所有LED輸出關閉（所有資料位元為'0'）時，內建驅動IC本身消耗的電流。

3. 分級系統說明

3.1 CIE色度座標分級

本文件提供基於CIE 1931 (x, y) 色度座標的色彩分級表。每個LED發出的光會經過測試並分類到特定分級（例如：A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3）。每個分級由色度圖上的一個四邊形區域定義，並以四個(x, y)座標點標示。在分級內的座標容差為x與y座標皆為 +/- 0.01。此分級確保了不同生產批次間的色彩一致性。設計師訂購時可指定分級代碼，以在應用中實現更嚴格的色彩匹配，這對於色彩均勻性至關重要的顯示器或多LED安裝至關重要。

4. 性能曲線分析

4.1 相對強度 vs. 波長（光譜分佈）

提供的圖表（圖1）顯示了紅、綠、藍晶片的相對光譜功率分佈。每條曲線顯示一個對應其主波長範圍的明顯峰值。紅色曲線中心約在~625nm，綠色約在~525nm，藍色約在~465nm。這些峰值的寬度（半高全寬）影響色彩純度；通常峰值越窄，色彩飽和度越高。綠色與紅色光譜之間的重疊極小，這有利於實現寬廣的色域。

4.2 順向電流 vs. 環境溫度降額曲線

圖表（圖2）說明了最大允許總順向電流（I_F）與環境工作溫度（T_A）之間的關係。隨著溫度升高，最大允許電流線性下降。此降額是必要的，以防止LED晶片與驅動IC的接面溫度超過安全限制，否則會加速劣化並縮短使用壽命。在最高工作溫度85°C時，允許的總電流顯著低於在25°C時規定的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（發光強度圖案）

極座標圖（圖3）繪製了歸一化相對發光強度與視角的函數關係。該圖確認了120度視角，顯示出平滑、近似朗伯分佈的圖案，這是霧面透鏡的典型特徵。強度在0度（軸心）最高，並對稱地降低，在軸心+/-60度處降至峰值的50%。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與配置

元件採用表面黏著封裝，整體尺寸約為長5.0mm、寬5.0mm、高1.6mm（公差±0.2mm）。封裝採用白色霧面塑膠透鏡。接腳配置包含四個焊墊：

1. VSS：接地（0V參考點）。
2. DIN：控制資料訊號輸入。接收此特定LED的串列資料流。
3. DOUT：控制資料訊號輸出。將接收到的資料流轉發至菊鏈中下一個LED的DIN接腳。
4. VDD：直流電源輸入（+4.2V 至 +5.5V）。

5.2 建議PCB焊接墊佈局

提供焊墊圖案以指導印刷電路板（PCB）設計。遵循這些建議的焊墊尺寸與間距，可確保迴焊過程中形成正確的焊點、可靠的電氣連接以及足夠的機械強度。設計通常包含散熱連接與適當的防焊層開口。

6. 焊接與組裝指南

6.1 紅外線迴焊溫度曲線

提供建議的紅外線（IR）迴焊溫度曲線，符合J-STD-020B無鉛焊接製程標準。曲線圖顯示了關鍵參數：預熱、均熱、迴焊峰值溫度與冷卻速率。峰值溫度通常不得顯著超過元件最高儲存溫度（100°C）並持續超過指定時間，以避免塑膠封裝損壞或內部應力。遵循此溫度曲線對於實現可靠焊點，同時避免LED與內建IC遭受熱衝擊至關重要。

6.2 清潔

若需進行焊後清潔，可將元件浸入室溫下的乙醇或異丙醇中，時間少於一分鐘。禁止使用未指定或具侵蝕性的化學清潔劑，因其可能損壞塑膠透鏡或封裝材料。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 載帶與捲盤規格

元件以壓紋載帶搭配保護蓋帶包裝，並捲繞在直徑7英吋（178mm）的捲盤上供應。載帶寬度為12mm。標準包裝數量為每捲1000顆，部分捲盤最低訂購量為500顆。提供載帶凹槽與捲盤的詳細尺寸，以確保與自動組裝設備送料器的相容性。

8. 應用建議

8.1 典型應用情境

• 狀態與指示照明：電信、網路與工業設備中的多色狀態指示燈。
• 裝飾與建築照明：消費性產品中的LED燈條、情境照明與變色點綴。
• 背光照明：具有動態色彩效果的前面板或標誌背光。
• 全彩顯示器：作為低解析度室內全彩LED顯示器、訊息看板或軟光板中的單一像素。

8.2 設計考量

• 電源供應：確保提供乾淨、穩壓的5V電源，並具備足夠的電流容量以供應所使用的LED數量。當多個LED同時通電時，需考慮湧入電流。
• 資料訊號完整性：對於長菊鏈或高資料傳輸率應用，若微控制器以3.3V運作，由於V_IH最小值為2.7V，可能需要考慮訊號緩衝或位準轉換。
• 熱管理：遵循電流降額曲線（圖2）。在LED焊墊下方及周圍提供足夠的銅箔面積作為散熱片，特別是在高亮度或高環境溫度的應用中。
• 混色：軟體或韌體必須考量R、G、B通道不同的發光強度（根據第2.2節的典型值），以實現準確的混色與中性白點。

9. 技術比較與差異化

與標準分離式RGB LED相比，此元件的關鍵差異在於整合了具有數位PWM控制的恆流驅動器。分離式RGB LED需要三個獨立的限流電阻（或更複雜的恆流汲極）以及三個微控制器PWM通道進行控制。此整合解決方案整合了驅動電路，減少了PCB上的元件數量，簡化了韌體（使用串列協定而非多個PWM計時器），並能輕鬆實現菊鏈連接以進行可擴展的安裝。其代價是單位成本略高以及固定的電流設定（通常為20mA）。

10. 常見問題（基於技術參數）

10.1 我可以將多少顆這種LED進行菊鏈連接？

理論上可以連接非常多顆，因為每個LED都會再生並轉發資料訊號。實際限制取決於所需的更新率與資料訊號完整性。連接N顆LED的總資料傳輸時間為 N * 24位元 * (1.2 µs ± 300ns) 加上一個重置信號脈衝。對於30 fps的更新率，這將鏈路限制在數百顆LED。長鏈路中的訊號衰減可能需要週期性的訊號增強。

10.2 我可以用3.3V微控制器驅動此LED嗎？

可以，輸入高電位（V_IH）規格最小值為2.7V，與3.3V邏輯高電位輸出（約3.3V）相容。請確保微控制器的GPIO接腳能為DIN輸入提供/吸收足夠的電流。電源供應（V_DD）仍必須介於4.2V至5.5V之間。

10.3 如果每個通道是20mA，為什麼最大總電流是65mA？

每通道20mA是內部驅動器設定的典型工作電流。65mA的絕對最大額定值是整個封裝的應力極限，考慮了所有三個LED與驅動IC同時以最大亮度運作時產生的總熱量。降額曲線（圖2）顯示，在較高溫度下，安全工作電流遠低於65mA。

11. 實際使用案例

情境：設計一個16顆LED的變色裝飾燈環。LED將以圓形排列並以菊鏈方式連接。單一5V、1A電源供應器即足夠（16顆LED * ~1.5mA IC靜態電流 + 16顆LED * 3通道 * 20mA最大值 * 工作週期）。微控制器（例如Arduino或ESP32）僅需一個GPIO接腳連接到第一顆LED的DIN。韌體將建立一個包含所有16顆LED的24位元色彩值（R、G、B各8位元）的資料流，後接一個重置信號脈衝。持續發送此資料流以創建動畫效果。白色霧面透鏡確保單個LED光點融合成平滑的光環。

12. 工作原理簡介

此裝置基於數位串列通訊原理運作。內建IC包含每個顏色通道的移位暫存器與鎖存器。串列資料流通過DIN接腳時脈輸入IC。每個資料位元由固定週期1.2µs內的高電位脈衝寬度表示。'0'位元是短高電位脈衝（約300ns），'1'位元是長高電位脈衝（約900ns）。接收到的前24個位元對應綠色、紅色與藍色的8位元亮度值（通常依此順序，GRB）。接收到其24個位元後，IC會從其DOUT接腳轉發所有後續位元，使資料得以串接。DIN上持續超過250µs的低電位訊號（RESET）會使鏈路中的所有IC將其接收到的資料鎖存到輸出驅動器中，同時更新LED亮度。

13. 技術趨勢

將驅動IC直接整合到LED封裝中，代表了LED元件設計的重要趨勢，正朝著智慧型LED解決方案發展。此趨勢降低了系統複雜性，透過最小化外部連接提高了可靠性，並實現了更複雜的控制（如個別定址）。未來的發展可能包括更高的整合度（整合微控制器或無線控制器）、透過晶片上校準改善色彩一致性、更高的PWM解析度（10位元、12位元、16位元）以實現更精細的色彩控制，以及增強的通訊協定，具有更高的資料傳輸率與錯誤校正功能，適用於更穩健的大規模安裝。