دیتاشیت سری ELS3120-G - درایور گیت فوتوکوپلر - پکیج 6 پین SDIP - جریان خروجی 2.5A - ولتاژ ایزولاسیون 5000Vrms - سند فنی فارسی

1. مرور کلی محصول

سری ELS3120-G یک فوتوکوپلر با کارایی بالا در پکیج 6 پین Single-Dual In-line (SDIP) است که به‌طور خاص برای درایو گیت‌های ترانزیستورهای دوقطبی با گیت عایق‌شده (IGBT) و ترانزیستورهای اثر میدان نیمه‌هادی اکسید-فلز قدرت (MOSFET) طراحی شده است. این قطعه یک دیود نورافشان مادون قرمز (LED) را که به صورت نوری به یک مدار مجتمع یکپارچه با یک مرحله خروجی قدرتمند کوپل شده، در خود ادغام کرده است. یک ویژگی طراحی کلیدی، شیلد داخلی است که ایمنی بالا در برابر نویز گذرای حالت مشترک را تضمین می‌کند و آن را در محیط‌های تبدیل توان پرنویز الکتریکی، بسیار قابل اعتماد می‌سازد. این قطعه با قابلیت ولتاژ خروجی ریل-به-ریل شناخته می‌شود که به آن اجازه می‌دهد سوئیچ قدرت تحت درایو را به طور کامل روشن و خاموش کند.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

مزیت اصلی ELS3120 در ترکیب قابلیت درایو جریان خروجی بالا (پیک 2.5A) و مشخصات عالی ایزولاسیون (5000Vrms) نهفته است. این ویژگی آن را به یک راه‌حل ایده‌آل برای کاربردهایی تبدیل می‌کند که نیاز به ایزولاسیون الکتریکی ایمن و مستحکم بین مدارهای کنترل کم‌ولتاژ و مراحل قدرت پرولتاژ دارند. عملکرد تضمین‌شده آن در محدوده دمایی وسیع از 40- تا 110+ درجه سانتی‌گراد، قابلیت اطمینان در شرایط سخت را تضمین می‌کند. این قطعه با الزامات بدون هالوژن (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm) مطابقت دارد، بدون سرب است و با RoHS سازگار است. این قطعه تأییدیه‌های نهادهای اصلی استانداردهای ایمنی بین‌المللی از جمله UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO، FIMKO و CQC را دریافت کرده است. بازار هدف شامل درایوهای موتور صنعتی، منبع تغذیه بدون وقفه (UPS)، اینورترهای خورشیدی و کاربردهای مختلف لوازم خانگی مانند بخاری‌های فن‌دار می‌شود.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

این قطعه برای کار در محدوده‌های دقیق به منظور اطمینان از طول عمر و جلوگیری از آسیب طراحی شده است. حداکثر مقادیر مجاز مطلق کلیدی شامل موارد زیر است: جریان مستقیم پیوسته (IF) 25mA برای LED ورودی، با قابلیت جریان مستقیم پالسی (IFP) 1A برای مدت‌های بسیار کوتاه (≤1μs). ولتاژ معکوس (VR) برای LED به 5V محدود شده است. در سمت خروجی، جریان پیک خروجی (IOPH/IOPL) ±2.5A است و ولتاژ پیک خروجی (VO) نسبت به VEE نباید از 30V تجاوز کند. ولتاژ تغذیه (VCC - VEE) می‌تواند از 15V تا 30V متغیر باشد. این قطعه می‌تواند ولتاژ ایزولاسیون (VISO) 5000Vrms را به مدت یک دقیقه تحمل کند. تلفات توان کل (PT) 300mW است. محدوده دمای کارکرد (TOPR) 40- تا 110+ درجه سانتی‌گراد و محدوده دمای ذخیره‌سازی (TSTG) از 55- تا 125+ درجه سانتی‌گراد است. دمای لحیم‌کاری (TSOL) برای 10 ثانیه در 260 درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده است.

2.2 مشخصات الکترواپتیکال

این بخش پارامترهای عملکرد تضمین‌شده تحت شرایط عملیاتی مشخص در سراسر محدوده دما را به تفصیل شرح می‌دهد. برای ورودی، حداکثر ولتاژ مستقیم (VF) در جریان مستقیم (IF) برابر 10mA، 1.8V است. مشخصات خروجی به جریان تغذیه و مشخصات انتقال تقسیم می‌شود. جریان‌های تغذیه سطح بالا و پایین (ICCH و ICCL) مقدار معمولی حدود 1.4-1.5mA و حداکثر 3.2mA را هنگامی که VCC=30V است، دارند. مشخصات انتقال برای درایو گیت حیاتی هستند. جریان خروجی سطح بالا (IOH) به عنوان حداقل 1- A (جریان سورس) هنگامی که VCC=30V و خروجی 3V پایین‌تر از VCC است، و حداقل 2.5- A هنگامی که خروجی 6V پایین‌تر از VCC است، مشخص شده است. برعکس، جریان خروجی سطح پایین (IOL) حداقل 1A (جریان سینک) هنگامی که خروجی 3V بالاتر از VEE است، و حداقل 2.5A هنگامی که 6V بالاتر از VEE است. جریان آستانه ورودی (IFLH) برای آغاز سوییچینگ حداکثر 5mA است. این قطعه همچنین دارای محافظت قفل در حالت کم‌ولتاژ (UVLO) است، با آستانه‌های معمولاً حدود 11-13.5V برای VUVLO+ (روشن) و 10-12.5V برای VUVLO- (خاموش)، که از عملکرد نادرست هنگامی که ولتاژ تغذیه کافی نیست، جلوگیری می‌کند.

2.3 مشخصات سوییچینگ

عملکرد دینامیک برای سوییچینگ کارآمد قدرت حیاتی است. پارامترهای کلیدی اندازه‌گیری شده تحت شرایط استاندارد (IF=7-16mA، VCC=15-30V، Cg=10nF، Rg=10Ω، f=10kHz) شامل موارد زیر می‌شود: زمان‌های تاخیر انتشار (tPLH و tPHL) با مقدار معمولی 150ns و حداکثر 300ns. زمان‌های صعود و نزول خروجی (tR و tF) معمولاً 80ns هستند. اعوجاج عرض پالس، که به صورت |tPHL – tPLH| تعریف می‌شود، حداکثر 100ns است که نشان‌دهنده تقارن خوب است. انحراف تاخیر انتشار (tPSK)، که تغییرات تاخیر بین چندین واحد تحت شرایط یکسان است، حداکثر 150ns می‌باشد. یک ویژگی برجسته، ایمنی گذرای حالت مشترک (CMTI) است که برای هر دو حالت خروجی بالا (CMH) و پایین (CML) حداقل ±25 kV/μs تضمین شده است. این درجه‌بندی CMTI بالا برای رد کردن گذرای ولتاژ سریع در سراسر مانع ایزولاسیون که می‌تواند باعث سوییچینگ خروجی اشتباه شود، بسیار مهم است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت چندین منحنی مشخصه معمولی ارائه می‌دهد که بینش عمیق‌تری از رفتار قطعه تحت شرایط مختلف ارائه می‌کند. شکل 1 نشان می‌دهد که چگونه ولتاژ مستقیم LED (VF) با افزایش دمای محیط (TA) برای جریان‌های مستقیم مختلف کاهش می‌یابد، که برای طراحی حرارتی مدار ورودی مهم است. شکل 2 افت ولتاژ خروجی بالا (VOH - VCC) را در مقابل جریان خروجی بالا (IOH) در دماهای مختلف ترسیم می‌کند و مقاومت روشن مؤثر ترانزیستور خروجی سمت بالا را نشان می‌دهد. شکل 3 نشان می‌دهد که چگونه این افت ولتاژ با دما در یک جریان بار ثابت تغییر می‌کند. به طور مشابه، شکل 4 و شکل 5 ولتاژ خروجی پایین (VOL) در مقابل جریان خروجی پایین (IOL) و تغییرات آن با دما را به تصویر می‌کشند و قابلیت سینک سمت پایین را مشخص می‌کنند. شکل 6 جریان تغذیه (ICCH و ICCL) را در مقابل دمای محیط رسم می‌کند و مصرف جریان ساکن پایدار را نشان می‌دهد. شکل 7 (که از قطعه PDF استنباط می‌شود) احتمالاً جریان تغذیه را در مقابل ولتاژ تغذیه نشان می‌دهد که وابستگی مصرف توان قطعه به VCC را نشان می‌دهد.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

این قطعه در یک پکیج 6 پین Single/Dual In-line (SDIP) قرار دارد. پیکربندی پین‌ها به شرح زیر است: پین 1: آند LED ورودی؛ پین 2: بدون اتصال (NC)؛ پین 3: کاتد LED ورودی؛ پین 4: VEE (منبع تغذیه/زمین منفی خروجی)؛ پین 5: VOUT (خروجی درایو گیت)؛ پین 6: VCC (منبع تغذیه مثبت خروجی). یک نکته کاربردی حیاتی مشخص می‌کند که یک خازن بای‌پس 0.1μF باید تا حد امکان نزدیک به بدنه قطعه بین پین‌های 4 (VEE) و 6 (VCC) متصل شود تا عملکرد پایدار تضمین شده و اندوکتانس خط تغذیه در حین سوییچینگ جریان بالا به حداقل برسد.

5. دستورالعمل‌های کاربردی

5.1 مدارهای کاربردی معمول

کاربرد اصلی به عنوان یک درایور گیت ایزوله برای IGBTها و MOSFETهای قدرت در پیکربندی‌های پل (مانند نیم‌پل، تمام‌پل) است. فوتوکوپلر ایزولاسیون لازم بین میکروکنترلر یا کنترلر PWM (سمت کم‌ولتاژ) و گیت شناور سوئیچ سمت بالا (سمت پرولتاژ) را فراهم می‌کند. جریان پیک 2.5A امکان شارژ و دشارژ سریع ظرفیت گیت دستگاه قدرت را فراهم می‌کند و تلفات سوییچینگ را به حداقل می‌رساند.

5.2 ملاحظات طراحی

چندین عامل باید برای عملکرد قابل اعتماد در نظر گرفته شوند. مقدار مقاومت گیت (Rg) باید بر اساس سرعت سوییچینگ مورد نیاز و برای جلوگیری از رینگ گیت یا dV/dt بیش از حد انتخاب شود. خازن بای‌پس 0.1μF توصیه‌شده بین VCC و VEE اجباری است تا یک منبع امپدانس پایین محلی برای جریان‌های پیک بالا فراهم کند. ویژگی UVLO از دستگاه قدرت محافظت می‌کند اما باید در ترتیب‌بندی تغذیه در نظر گرفته شود. ایمنی گذرای حالت مشترک بالا است، اما چیدمان PCB همچنان حیاتی باقی می‌ماند: فاصله ایزولاسیون بین مدارهای ورودی و خروجی باید حفظ شود و حلقه‌های با dV/dt بالا باید کوچک نگه داشته شده و از مسیرهای ورودی حساس دور باشند.

6. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتوکوپلرهای پایه یا برخی ICهای درایور گیت مجتمع بدون ایزولاسیون، ELS3120 یک مرحله خروجی پرجریان اختصاصی را که با یک ایزولاتور نوری ادغام شده است، ارائه می‌دهد. تمایزهای کلیدی آن جریان پیک خروجی 2.5A است که از بسیاری از درایورهای مبتنی بر فوتوکوپلر استاندارد بالاتر است، و CMTI تضمین‌شده بالا 25 kV/μs است که برای کاربردهای مدرن سوییچینگ سریع مبتنی بر سیلیکون کارباید (SiC) یا گالیم نیترید (GaN) ضروری است. محدوده دمای کارکرد وسیع و تاییدیه‌های متعدد ایمنی بین‌المللی، آن را برای بازارهای صنعتی و لوازم خانگی که قابلیت اطمینان و انطباق در آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است، مناسب می‌سازد.

7. پرسش‌های متداول (FAQ)

س: هدف شیلد داخلی چیست؟

ج: شیلد داخلی با کاهش کوپلینگ خازنی بین ورودی و خروجی، ایمنی گذرای حالت مشترک (CMTI) را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و از تحریک اشتباه ناشی از گذرای ولتاژ سریع در سراسر مانع ایزولاسیون جلوگیری می‌کند.

س: آیا می‌توانم از یک منبع تغذیه واحد برای VCC استفاده کنم؟

ج: مرحله خروجی به ولتاژ تغذیه (VCC - VEE) بین 15V و 30V نیاز دارد. برای درایو یک IGBT/MOSFET کانال N که سورس آن به زمین قدرت متصل است، VEE معمولاً به همان زمین متصل می‌شود و VCC یک ولتاژ مثبت نسبت به آن است، که اغلب +15V یا +20V می‌باشد.

س: چرا خازن بای‌پس 0.1μF اجباری است؟

ج: در لحظه سوییچینگ، درایور چندین آمپر جریان را بسیار سریع سورس یا سینک می‌کند. اندوکتانس پارازیتی مسیرهای PCB به یک خازن حجیم دور، باعث ایجاد یک اسپایک ولتاژ بزرگ می‌شود که ممکن است باعث عملکرد نادرست یا تجاوز از حداکثر مقادیر مجاز مطلق قطعه شود. خازن محلی جریان لحظه‌ای را فراهم می‌کند.

س: اگر ولتاژ تغذیه (VCC) به زیر آستانه UVLO افت کند چه اتفاقی می‌افتد؟

ج: مدار قفل در حالت کم‌ولتاژ (UVLO) خروجی را غیرفعال می‌کند و آن را به یک حالت مشخص (معمولاً پایین) می‌برد که IGBT/MOSFET تحت درایو را خاموش می‌کند. این از کارکرد دستگاه قدرت در ناحیه خطی با ولتاژ و جریان بالا که باعث گرمایش و خرابی بیش از حد می‌شود، جلوگیری می‌کند.

8. مثال کاربردی عملی

یک مورد استفاده رایج در اینورتر درایو موتور سه‌فاز است. شش دستگاه ELS3120 می‌توانند برای درایو شش IGBT (سه سمت بالا و سه سمت پایین) استفاده شوند. میکروکنترلر شش سیگنال PWM تولید می‌کند که هر کدام به آند (از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان) و کاتد LED ورودی یک ELS3120 متصل می‌شوند. خروجی هر ELS3120 از طریق یک مقاومت گیت کوچک به گیت IGBT مربوطه متصل می‌شود. درایورهای سمت بالا پین‌های VCC خود را به منابع تغذیه شناور ایزوله (مدارهای بوت‌استرپ یا مبدل‌های DC-DC ایزوله) متصل می‌کنند، در حالی که پین‌های VEE آن‌ها به خروجی فاز (امیتر IGBT) متصل می‌شوند. این تنظیمات ایزولاسیون کامل را برای هر دو مدار کنترل و حفاظت از ولتاژ باس DC بالا فراهم می‌کند.

9. اصل عملکرد

این قطعه بر اساس اصل ایزولاسیون نوری عمل می‌کند. یک جریان الکتریکی اعمال شده به LED مادون قرمز ورودی باعث می‌شود که آن نور ساطع کند. این نور توسط یک فوتودیود که در IC سمت خروجی ادغام شده است، تشخیص داده می‌شود. سیگنال نوری دریافت شده دوباره به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود که سپس توسط مدارهای داخلی (شامل تقویت‌کننده‌ها و یک مرحله خروجی توتم‌پول) پردازش می‌شود تا پین VOUT را درایو کند. مزیت کلیدی این است که سیگنال و توان از طریق نور منتقل می‌شوند و یک مانع ایزولاسیون گالوانیک ایجاد می‌کنند که می‌تواند چندین کیلوولت را تحمل کند، حلقه‌های زمین را می‌شکند و الکترونیک کنترل حساس را از گذرای ولتاژ بالا در سمت قدرت محافظت می‌کند.

10. روندهای صنعت

تقاضا برای فوتوکوپلرهای درایور گیت مانند ELS3120 توسط روندهای الکترونیک قدرت هدایت می‌شود. فشار مداومی برای چگالی توان بالاتر، بازدهی بیشتر و فرکانس‌های سوییچینگ بالاتر وجود دارد، به ویژه با پذیرش نیمه‌هادی‌های با گاف انرژی وسیع (SiC و GaN). این روندها مستلزم درایورهای گیت با جریان پیک بالاتر، سرعت سوییچینگ سریع‌تر و حتی درجه‌بندی CMTI بالاتر هستند. علاوه بر این، افزایش الزامات ایمنی عملکردی در کاربردهای خودرویی (مانند ISO 26262) و صنعتی منجر به توسعه درایورهایی با ویژگی‌های تشخیصی یکپارچه و درجه‌بندی‌های ایزولاسیون تقویت‌شده می‌شود. حرکت به سمت مینیاتوری‌سازی نیز بر فناوری پکیج فشار وارد می‌کند، اگرچه پکیج SDIP به دلیل فواصل خزش و فاصله هوایی لازم برای ایزولاسیون ولتاژ بالا همچنان محبوب باقی مانده است.