Richi´s Lab

Worldsemi WS2812B

WS2812B

Die WS2812B ist eine intelligente RGB-Leuchtdiode der chinesischen Firma Worldsemi.

Neben einer 5V-Versorgungsspannung benötigt der Baustein nur ein Datensignal. Die Ansteuerung ist verhältnismäßig einfach. Die Helligkeit der einzelnen Leuchtdioden lässt sich in 256 Schritten einstellen. Der Baustein erwartet einen 24Bit breiten Datensatz, der genau diese Vorgaben liefert. Weitere Befehle existieren nicht. Erhält eine RGB-LED einen Reset, einen längeren Low-Pegel am Dateneingang, so registriert sie die nächsten 24 eintreffenden Bits als ihren Datensatz. Die darauf folgenden Daten werden am Datenausgang wieder ausgegeben und können zur nächsten LED geführt werden. Die Datenrate beträgt 800kB/s. Will man eine Aktualisierungsrate von 30Hz einhalten, so kann man bis zu 1024 Elemente in Serie schalten.

 

WS2812B Aufbau

Der Verguss ist klar genug, um die enthaltenen Dies direkt abzubilden. Die Dies der Leuchtdioden befinden sich auf der Metallfläche, die das positive Versorgungspotential führt (Vdd). Die rote LED wird direkt über das Substrat mit dem positiven Versorgungspotential verbunden. Dieses Die wurde entsprechend mit Lötzinn auf der Metallfläche befestigt. Die Dies der blauen und der grünen LED benötigen dagegen einen eigenen Bonddraht, um das Versorgungspotential von der Metallfläche zum aktiven Bereich zu führen.

Der IC, der die Steuerung übernimmt, ist auf dem negativen Versorgungspotential Vss platziert. Da die Substrate meist verhältnismäßig hochohmig sind und über die Leuchtdioden ein durchaus relevanter Strom zu Vss abfließen kann, besitzt der IC zusätzlich einen Bonddraht der zum Vss-Potential führt. Über Din treffen die Daten ein, über Dout werden die Daten für die folgenden Module ausgegeben.

 

WS2812B LED

Die Kantenlänge des roten Dies beträgt ungefähr 0,17mm. Die Metalllage kontaktiert die Fläche sternförmig und sorgt so für eine niederohmige Stromverteilung ohne zu viel des aktiven Bereichs abzuschatten..

 

WS2812B LED

Die Dies der grünen und der blauen Leuchtdiode sind mit einer Kantenlänge von 0,20mm minimal größer. Die Strukturen erinnern an einen Kleinsignaltransistor. Im Detail ist eine feine Strukturierung zu erkennen.

 

WS2812B Steuerung Die

WS2812B Steuerung Die

Das Die, dass die Leuchtdioden steuert, ist 0,9mm x 0,7mm groß. Die Versorgungspotentiale werden verhältnismäßig massiv über das Die verteilt. Die kammartige Struktur oberhalb des oberen Bondpads könnte einen Überspannungsschutz enthalten.

Sowohl am Dateneingang als auch am Datenausgang (rechts) befinden sich zwei weitere kammartige Strukturen. Da in diesem Bereich sonst keine großen Elemente zu finden sind, müssen die kammartigen Strukturen beim Datenausgang Endstufentransistoren enthalten. Beim Dateneingang könnte es sich um Schutzstrukturen handeln.

Deutlich zu erkennen ist die große, aus einigen Zeilen bestehende Fläche, die die Steuerungslogik enthält. Die Versorgung der Zeilen erfolgt von rechts und von links. Zwischen den eigentlichen Logikzeilen befinden sich diese Zeilen, wo die Verbindungsleitungen verlegt werden können, die die Funktionen definieren. Eine ältere, besser zu überblickende Variante eines solchen Gatearrays ist zum Beispiel im DAC709 enthalten. Die Strukturen im oberen linken Bereich des Dies enthalten wahrscheinlich den Oszillator und andere Hilfsschaltungen, wie den Resetgenerator.

 

WS2812B Steuerung Die Detail

Links unten befinden sich die drei Bondpads, über die die drei Leuchtdioden angebunden sind. Links und rechts der Bondpads befinden sich drei gleiche Strukturen, deren Funktionen sich optisch nicht ganz eindeutig zuordnen lassen. Die kleineren Elemente ganz rechts könnten Schaltungsteile der Stromreglung sein. Die linken, kammförmigen Strukturen könnten Leistungstransistoren sein. Die Platzierung erscheint dafür aber nicht besonders sinnvoll. Wahrscheinlicher ist, dass es sich hier um Schutzstrukturen handelt. Dann müssten die grünlichen Flächen rechts der Bondpads die Leistungstransistoren beinhalten. Die Flächen scheinen aus vielen kleinen Elementen zu bestehen, die insgesamt eine sehr breite Verbindungen zwischen den linken Bondpads und dem rechten Massepotential darstellen. Das wäre soweit stimmig.

Oberhalb der drei Endstufen befindet sich ein vierter Bereich, der sehr ähnlich, aber nicht ganz gleich aufgebaut ist wie die drei anderen Endstufen. Spontan würde man einen vierten Ausgang für den Aufbau einer RGBW-LED erwarten. Die vermeintliche Stromregelungsschaltung scheint gespiegelt zu sein. Die große quadratische Struktur rechts des Bondpads ist etwas kleiner und besitzt eine andere Farbe. Außerdem ist die Anbindung an das Bondpad sehr viel dünner. Das spricht nicht für eine vierte Endstufe. Man könnte sich vorstellen, dass über den vierten Kontakt der Strom der Stromsenken eingestellt werden kann. Das würde zu der dünneren Anbindung und dem gespiegelten Stromregelbereich passen.

 

WS2812B Steuerung Die Detail

Für die Theorie der optionalen externen Stromeinstellung spricht die Struktur in der oberen linken Ecke des Bondpads. Die dort pfeilförmig aufeinander zulaufenden Metallleitungen würden zu einem fusible Link passen. Man könnte damit über eine intakte Verbindung einen üblicherweise passenden Strom einstellen und mit einer aufgetrennten Verbindung und einem externen Widerstand könnte man einen individuellen Stromwert einstellen.

 

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