內建IC之SMD RGB LED - 恆流控制 - 5V - 65mA - 白色霧面透鏡 - 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RGB LED元件的規格，該元件將控制電路與RGB晶片整合於單一封裝內。此整合設計形成一個完整、可獨立定址的像素點，無需外部驅動電路即可實現恆流操作。本元件專為自動化PCB組裝而設計，適用於廣泛電子設備中空間受限的應用。

1.1 核心優勢與目標市場

此元件的首要優勢在於其一體化設計。透過內建8位元驅動IC，為紅、綠、藍三色晶片分別提供恆流PWM控制。這使得每個原色可實現256級亮度，從而能夠創造超過1670萬種不同的顏色。多個單元間的信號傳輸透過單線串接埠得以簡化。主要特點包括符合RoHS規範、封裝相容於自動貼片設備，以及適用於紅外線迴焊製程。其目標應用涵蓋通訊設備、辦公室自動化、家電、工業設備、狀態指示燈、前面板背光、全彩模組、裝飾照明及室內視訊顯示器等。

2. 技術參數：深入客觀解讀

2.1 絕對最大額定值

超出這些限制操作可能導致永久性損壞。絕對最大額定值是在環境溫度（Ta）為25°C下指定的。

• 功耗（P）：358 mW。這是封裝所能散發的最大總功率。
• 電源電壓範圍（VDD）：+4.2V 至 +5.5V。內建IC需要此穩壓範圍才能正常運作。
• 總直流順向電流（IF）：65 mA。這是可提供給RGB晶片組合的最大總電流。
• 操作溫度範圍：-40°C 至 +85°C。
• 儲存溫度範圍：-40°C 至 +100°C。

2.2 光學特性

光學性能是在Ta=25°C、VDD=5V且所有顏色通道均設定為最大亮度（8'b11111111）下測量的。

• 發光強度（Iv）：
  • 紅光（AlInGaP）：340 mcd（最小值），800 mcd（最大值）
  • 綠光（InGaN）：600 mcd（最小值），1500 mcd（最大值）
  • 藍光（InGaN）：150 mcd（最小值），360 mcd（最大值）
• 視角（2θ1/2）：120度（典型值）。這是發光強度為軸上強度一半時的全角。
• 主波長（λd）：
  • 紅光：615 nm 至 630 nm
  • 綠光：520 nm 至 535 nm
  • 藍光：460 nm 至 475 nm

2.3 電氣特性

電氣參數是在環境溫度範圍-20°C至+70°C及電源電壓（VDD）範圍4.2V至5.5V內指定的。

• IC輸出電流（IF）：每個顏色通道（紅、綠、藍分別）20 mA（典型值）。這是內建驅動器設定的恆定電流。
• 輸入電壓位準：
  • 高電位輸入電壓（VIH）：對於DIN及其他控制接腳，最小值為2.7V，最大值為VDD。
  • 低電位輸入電壓（VIL）：最小值為0V，最大值為1.0V。
• IC工作電流（IDD）：當所有LED資料設定為'0'（關閉狀態）時，典型值為1.5 mA。

2.4 資料傳輸時序

內建IC使用特定的串列通訊協定。一個位元的總週期（TH + TL）為1.2μs ±300ns。

• T0H（0碼，高電位時間）：300 ns ±150ns
• T0L（0碼，低電位時間）：900 ns ±150ns
• T1H（1碼，高電位時間）：900 ns ±150ns
• T1L（1碼，低電位時間）：300 ns ±150ns
• RES（重置時間）：>250 μs。DIN上的低電位信號持續時間超過此值將重置IC。

3. 分級系統說明

本產品採用基於CIE色度座標的分級系統以確保顏色一致性。分級由CIE 1931（x, y）色度圖上的四邊形定義。提供的表格列出了分級代碼（A1, A2, A3, B1, B2, B3, C1, C2, C3）及其四個角點（Point1至Point4）的（x, y）座標。每個分級內CIE（x, y）座標的公差為 +/- 0.01。此系統允許設計師選擇相同分級代碼的LED，以在陣列或顯示器中實現均勻的顏色外觀。

4. 性能曲線分析

4.1 相對強度 vs. 波長

光譜分佈圖顯示了三種顏色的發射峰值。紅光LED（使用AlInGaP技術）的主波長在615-630nm範圍內。綠光和藍光LED（使用InGaN技術）的峰值分別在520-535nm和460-475nm範圍內。這些曲線有助於理解色純度以及通道間可能的重疊。

4.2 順向電流 vs. 環境溫度降額曲線

此圖說明了LED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，最大允許電流線性下降，以防止過熱並確保可靠性。這是熱管理設計的關鍵圖表。

4.3 空間分佈（發光強度 vs. 角度）

極座標圖描繪了相對發光強度與視角的函數關係。對稱、寬廣的120度視角光束圖案證實了白色霧面透鏡的描述，提供了適用於指示燈和背光應用的寬廣且均勻的照明。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與接腳配置

本元件為表面黏著裝置。規格書包含詳細的尺寸圖。除非另有說明，所有尺寸單位為毫米，標準公差為±0.2 mm。接腳配置如下：

1. VDD：直流電源輸入（+4.2V 至 +5.5V）。
2. DIN：控制資料信號輸入。
3. VSS： Ground.
4. DOUT：控制資料信號輸出（用於串接到下一個LED的DIN）。

5.2 建議PCB焊墊佈局

提供了建議的PCB焊墊圖案（Footprint），以確保組裝過程中焊接正確和機械穩定性。遵循此建議對於實現良好的焊點可靠性至關重要。

6. 焊接與組裝指南

6.1 紅外線迴焊溫度曲線

提供了詳細的迴焊溫度曲線圖，符合J-STD-020B無鉛製程標準。它規定了關鍵參數：預熱、浸潤、迴焊峰值溫度和冷卻速率。遵守此溫度曲線對於避免LED封裝和內部IC的熱損壞至關重要。

6.2 清潔

若焊接後需要清潔，LED僅應在常溫下浸入乙醇或異丙醇中，時間少於一分鐘。禁止使用未指定的化學清潔劑，因其可能損壞封裝材料。

7. 包裝與訂購資訊

本元件以捲帶包裝供應，相容於自動取放設備。

• 捲帶尺寸：捲帶寬度12mm。
• 捲盤尺寸：直徑7英吋（178mm）。
• 每捲數量：4000顆。
• 最小包裝數量：剩餘批次為500顆。
• 上蓋帶：空的元件凹槽用上蓋帶密封。
• 規格：包裝符合ANSI/EIA 481標準。

8. 應用建議

8.1 典型應用場景

• 狀態指示燈與背光：適用於消費性電子產品、網路設備和工業面板上的多色狀態燈。
• 裝飾與建築照明：憑藉其全彩能力和串接特性，適用於變色LED燈條、情境照明和重點照明。
• 低解析度顯示器：可用於構建全彩模組、柔光燈以及不規則的室內視訊顯示器（例如，媒體立面、藝術裝置）。

8.2 設計考量

• 電源供應：確保提供穩定、穩壓的5V電源，且在4.2V-5.5V範圍內。考慮湧入電流並在VDD接腳附近使用去耦電容。
• 資料信號完整性：維持串列資料信號的精確時序要求（T0H、T1H等）。對於長串接鏈路或嘈雜環境，考慮信號緩衝或電平轉換。
• 熱管理：遵守電流降額曲線。在PCB上提供足夠的銅箔面積以利散熱，特別是在長時間以高亮度驅動所有三個通道時。
• 靜電防護：在處理和最終應用中，對資料線和電源線實施標準的ESD防護措施。

9. 技術比較與差異化

與需要外部恆流驅動器或電阻的傳統分離式RGB LED相比，此整合解決方案提供了顯著優勢：

• 設計簡化：減少元件數量、PCB佔用面積和設計複雜度。
• 優異的顏色一致性：內建IC為每個晶片提供精確、穩定的恆定電流，與電阻限流設計相比，能在不同單元間及隨時間推移實現更一致的顏色輸出。
• 高解析度調光：每種顏色8位元PWM（256級）允許平滑的顏色混合和調光，實現專業的照明效果。
• 串接能力：單線串接協定簡化了大型陣列的佈線，僅需一個微控制器GPIO接腳即可控制一長串LED。

10. 常見問題（基於技術參數）

問：內建IC的目的是什麼？

答：它為每個顏色通道內部提供恆流驅動和PWM調光控制，消除了對外部限流元件的需求，並簡化了微控制器控制。

問：我可以在一條鏈路上連接多少個LED？

答：理論上可以連接非常多個，因為每個LED都會再生資料信號。實際限制取決於所需的資料刷新率以及電源線（VDD）上的累積壓降。對於長鏈路，建議在多個點進行電源注入。

問：我可以用3.3V微控制器驅動這個LED嗎？

答：資料輸入高電位（VIH）最小值為2.7V。3.3V邏輯高電位（通常為3.3V）符合此要求，因此通常相容。請確保LED的5V電源（VDD）與微控制器的3.3V電源分開。

問：為什麼順向電流固定為20mA？

答：內建IC預先配置為向每個LED晶片提供恆定的20mA（典型值）。這優化了性能和可靠性。亮度僅透過PWM工作週期控制，而非透過改變電流幅度。

11. 實際使用案例

情境：為智慧家庭中樞設計一個緊湊、顏色可自訂的狀態指示燈。

設計師使用此LED是因為單一元件即可提供紅、綠、藍光。微控制器發送簡單的串列資料流來設定顏色（例如，離線時為紅色，連線時為青色，更新時為紫色）。恆流驅動確保亮度在電源輕微波動時保持穩定。寬視角使指示燈可從各個角度看見。表面黏著封裝允許時尚的平面設計。捲帶包裝使大量生產時能夠快速、自動化組裝。

12. 工作原理簡介

本裝置基於一個簡單的原理運作。外部微控制器將一串列資料流發送到DIN接腳。此資料流包含24位元資料（紅、綠、藍亮度各8位元）。第一個LED內的內建IC讀取這前24位元，將其鎖存，然後將剩餘的資料流通過其DOUT接腳移位輸出到鏈路中下一個LED的DIN接腳。接著，IC使用脈衝寬度調變（PWM）來控制連接到每個LED晶片的恆流源。20mA電流被非常快速地開關。在固定週期內，開啟時間與關閉時間的比率（工作週期）決定了每種顏色的感知亮度，從而實現精確的顏色混合。

13. 技術趨勢

將控制電子元件直接整合到LED封裝中代表了產業的明確趨勢，朝著智慧或智能LED發展。此趨勢旨在簡化終端產品設計、提高性能一致性，並實現更先進的功能，例如密集陣列中的獨立定址。未來的發展可能包括更高位元深度的顏色控制（10位元、12位元）、整合感測器（例如，用於溫度或光回饋），以及更穩健或更高速的通訊協定。焦點仍然在於提高整合度、降低系統成本，以及改善在一般照明、汽車和高解析度顯示器等應用中的可靠性。