دیتاشیت سری EL083L/EL086L - کوپلر نوری منطقی دو کاناله پرسرعت 15 مگابیت بر ثانیه با پکیج SOP-8 و سازگاری 3.3V/5V

1. مرور کلی محصول

سری EL08XL خانواده‌ای از کوپلرهای نوری منطقی (ایزولاتورهای نوری) دو کاناله و پرسرعت است که برای کاربردهای ایزولاسیون دیجیتال مدرن طراحی شده‌اند. این قطعات یک دیود مادون قرمز ساطع‌کننده نور را که به صورت نوری به یک مدار مجتمع آشکارساز CMOS جفت شده، درون یک پکیج کوچک 8 پایه SOP یکپارچه کرده‌اند. عملکرد اصلی، ایجاد ایزولاسیون گالوانیکی بین مدارهای ورودی و خروجی در حین انتقال سیگنال‌های دیجیتال پرسرعت با کمترین اعوجاج است.

مزیت اصلی این سری در ترکیب عملکرد پرسرعت (تا 15 مگابیت بر ثانیه)، سازگاری با خانواده‌های منطقی CMOS کم‌ولتاژ 3.3 ولت و 5 ولت، و ویژگی‌های ایزولاسیون قوی آن نهفته است. این قطعات برای جایگزینی ترانسفورماتورهای پالس و سایر روش‌های ایزولاسیون در کاربردهای سخت طراحی شده‌اند و راه‌حلی قابل اعتماد، فشرده و قابل نصب سطحی ارائه می‌دهند. بازارهای هدف شامل اتوماسیون صنعتی، مخابرات، کنترل منبع تغذیه، لوازم جانبی کامپیوتر و هر سیستمی است که نیاز به انتقال داده مقاوم در برابر نویز بین دامنه‌های ولتاژ مختلف دارد.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

2.1 حداکثر مقادیر مجاز مطلق

قطعه برای عملکرد مطمئن در محدوده‌های تعریف شده مشخص شده است. حداکثر مقادیر مجاز مطلق کلیدی شامل: جریان مستقیم (I_F) 20 میلی‌آمپر برای LED ورودی، ولتاژ معکوس (V_R) 5 ولت، و محدودیت‌های اتلاف توان 35 میلی‌وات برای ورودی و 85 میلی‌وات برای خروجی می‌باشد. ولتاژ تغذیه (V_CC) و ولتاژ خروجی (V_O) نباید از 5.5 ولت تجاوز کند. یک پارامتر حیاتی، ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO) معادل 3750 ولت_rmsبه مدت یک دقیقه است که تحت شرایط رطوبت خاص و با اتصال کوتاه جداگانه پایه‌های ورودی و خروجی آزمایش می‌شود. محدوده دمای کاری از 40- درجه سلسیوس تا 85+ درجه سلسیوس است.

2.2 مشخصات الکتریکی

پارامترهای DC دقیق، سازگاری با طراحی سیستم را تضمین می‌کنند. LED ورودی دارای ولتاژ مستقیم معمولی (V_F) 1.4 ولت در جریان 8 میلی‌آمپر است که حداکثر آن 1.8 ولت می‌باشد. مشخصات خروجی برای کار با تغذیه 3.3 ولت و 5 ولت تعریف شده است. ولتاژ خروجی سطح بالا (V_OH) تضمین می‌شود که در فاصله 1 ولتی از V_CC(حداقل) هنگام جذب جریان 4 میلی‌آمپر باشد. ولتاژ خروجی سطح پایین (V_OL) معمولاً 0.21 ولت (برای 3.3 ولت) یا 0.17 ولت (برای 5 ولت) است، هنگامی که جریان 4 میلی‌آمپر را تأمین می‌کند و LED ورودی با جریان 8 میلی‌آمپر راه‌اندازی شده است. این مقادیر سطوح منطقی قوی را تضمین می‌کنند. جریان آستانه ورودی (I_FT) برای یک خروجی پایین معتبر، معمولاً 2.5 میلی‌آمپر با حداکثر 5 میلی‌آمپر است.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

این بخش عملکرد دینامیک را تعریف می‌کند. زمان‌های تاخیر انتشار (t_PHLو t_PLH) معمولاً برای تغذیه 3.3 ولت 38-41 نانوثانیه و برای تغذیه 5 ولت 35-46 نانوثانیه است، با حداکثر 60 نانوثانیه تحت شرایط آزمایش مشخص شده (I_F=8mA, C_L=15pF). اعوجاج عرض پالس (|t_PHL– t_PLH|) که بر یکپارچگی سیگنال تأثیر می‌گذارد، معمولاً 6-8 نانوثانیه با حداکثر 30 نانوثانیه است. زمان‌های صعود و فرود خروجی (t_r, t_f) معمولاً 5.5-6 نانوثانیه است. یک عامل تمایز کلیدی، ایمنی در برابر نویز حالت مشترک (CMTI) است. نوع EL086L حداقل 10,000 ولت بر میکروثانیه را برای هر دو حالت خروجی بالا و پایین تضمین می‌کند، در حالی که EL083L حداقل 5,000 ولت بر میکروثانیه را تضمین می‌کند. این پارامتر در محیط‌های پرنویز با پتانسیل‌های زمین سریع‌التغییر حیاتی است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکترواپتیکال معمول اشاره می‌کند. اگرچه نمودارهای خاص در متن ارائه شده جزئیات ندارند، اما چنین منحنی‌هایی معمولاً رابطه بین جریان مستقیم و ولتاژ مستقیم برای LED ورودی، تاخیر انتشار در مقابل دما، و عملکرد ایمنی در برابر نویز حالت مشترک را نشان می‌دهند. این منحنی‌ها برای طراحان جهت درک رفتار قطعه تحت شرایط غیراستاندارد و بهینه‌سازی نقطه کار برای سرعت، توان و قابلیت اطمینان ضروری هستند.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

قطعه در یک پکیج SOP 8 پایه قرار دارد. نقشه ابعادی، اندازه‌گیری‌های حیاتی برای طراحی جایگاه PCB را ارائه می‌دهد که شامل طول، عرض، ارتفاع کلی پکیج، فاصله پایه‌ها (معمولاً 1.27 میلی‌متر) و ابعاد پایه‌ها می‌شود. رعایت این ابعاد برای لحیم‌کاری صحیح و تناسب مکانیکی ضروری است.

4.2 پیکربندی و قطبیت پایه‌ها

پیکربندی پایه‌ها به شرح زیر است: پایه 1 (آند 1)، پایه 2 (کاتد 1)، پایه 3 (کاتد 2)، پایه 4 (آند 2)، پایه 5 (زمین)، پایه 6 (V_OUT2)، پایه 7 (V_OUT1)، پایه 8 (V_CC). این پیکربندی از دو کانال مستقل پشتیبانی می‌کند. اتصال قطبیت صحیح برای LEDهای ورودی (آند/کاتد) و تغذیه خروجی (V_CC/GND) برای جلوگیری از آسیب دیدن قطعه اجباری است.

4.3 طرح پیشنهادی پد PCB

یک طرح پد پیشنهادی برای نصب سطحی ارائه شده است. نکته تأکید می‌کند که این یک طراحی مرجع است و باید بر اساس فرآیندهای ساخت PCB خاص و نیازهای حرارتی اصلاح شود. طراحی پد با هدف اطمینان از فیله‌های لحیم قابل اعتماد و استحکام مکانیکی پس از لحیم‌کاری رفلو انجام شده است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

حداکثر مقادیر مجاز مطلق، دمای لحیم‌کاری (T_SOL) 260 درجه سلسیوس به مدت 10 ثانیه را مشخص می‌کند. این با پروفیل‌های رفلو معمولی بدون سرب مطابقت دارد. پیروی از پروفیل رفلو توصیه شده برای مونتاژ PCB خاص برای جلوگیری از آسیب حرارتی بسیار مهم است. قطعه باید قبل از استفاده تحت شرایط مناسب نگهداری (T_STG: 55- درجه تا 125+ درجه سلسیوس) قرار گیرد تا قابلیت لحیم‌کاری حفظ شود.

6. پیشنهادات کاربردی

6.1 مدارهای کاربردی معمول

کاربردهای اصلی ذکر شده عبارتند از: گیرنده خط، سیستم‌های انتقال داده، مالتی‌پلکسینگ داده، ایزولاسیون فیدبک منبع تغذیه سوئیچینگ، جایگزینی ترانسفورماتور پالس، رابط‌های لوازم جانبی کامپیوتر و ایزولاسیون زمین منطقی پرسرعت. در یک مدار معمولی، سمت ورودی توسط یک سیگنال منطقی از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان برای تنظیم I_F راه‌اندازی می‌شود. سمت خروجی نیاز به یک خازن بای‌پس (0.1 میکروفاراد یا بزرگتر، با مشخصات فرکانس بالا مناسب) دارد که تا حد امکان نزدیک بین پایه‌های V_CCو GND متصل شود تا عملکرد پایدار تضمین شده و نویز به حداقل برسد.

6.2 ملاحظات طراحی

• دکاپلینگ منبع تغذیه:استفاده اجباری از یک خازن بای‌پس محلی در سمت خروجی برای دستیابی به عملکرد پرسرعت مشخص شده و ایمنی در برابر نویز حیاتی است.
• تنظیم جریان ورودی:جریان مستقیم (I_F) باید بر اساس سرعت مورد نیاز و مقدار تضمین شده I_FTتنظیم شود. کار در جریان توصیه شده 8 میلی‌آمپر، حاشیه نویز مناسب و سرعت سوئیچینگ را تضمین می‌کند.
• ملاحظات بار:خروجی می‌تواند تا 10 بار استاندارد CMOS را راه‌اندازی کند. دیتاشیت شرایط آزمایش را با I_O= ±4mA برای V_OH/V_OL.
• انتخاب کانال:بین EL083L (CMTI معادل 5kV/µs) و EL086L (CMTI معادل 10kV/µs) بر اساس محیط نویز الکتریکی کاربرد انتخاب کنید.

7. مقایسه و تمایز فنی

سری EL08XL از طریق طراحی دو کاناله خود در یک پکیج استاندارد SOP-8 متمایز می‌شود و در مقایسه با دو قطعه تک کاناله، صرفه‌جویی در فضای برد را ارائه می‌دهد. سرعت تضمین شده 15 مگابیت بر ثانیه در ولتاژهای 3.3 و 5 ولت، یک نشانگر عملکرد کلیدی برای رابط‌های دیجیتال مدرن است. ایمنی بالای حالت مشترک در برابر نویز، به ویژه رتبه 10kV/µs مدل EL086L، در مقایسه با کوپلرهای نوری استاندارد، عملکرد برتر در محیط‌های صنعتی و تبدیل توان پرنویز را فراهم می‌کند. مطابقت با استانداردهای بین‌المللی ایمنی اصلی (UL, cUL, VDE و غیره) و مقررات بدون هالوژن، RoHS و REACH، آن را برای بازارهای جهانی مناسب می‌سازد.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا اگر منطق من 3.3 ولت است، می‌توانم از تغذیه 5 ولت برای خروجی استفاده کنم؟

پ: مرحله خروجی با سطوح منطقی CMOS هر دو ولتاژ 3.3 و 5 ولت سازگار است. با این حال، اگر از V_CC 5 ولتی استفاده می‌کنید، باید مطمئن شوید که دستگاه منطقی گیرنده، تحمل ولتاژ 5 ولت را دارد. V_OH نزدیک به 5 ولت خواهد بود.

س: هدف از مشخصه CMTI چیست؟

پ: CMTI توانایی قطعه در رد نویزهای گذرای ولتاژ سریع بین زمین‌های ورودی و خروجی را اندازه‌گیری می‌کند. CMTI بالا (مثلاً 10kV/µs) از ایجاد سوئیچینگ اشتباه در خروجی توسط این نویزهای گذرا جلوگیری می‌کند که در درایورهای موتور، منابع تغذیه و PLCهای صنعتی حیاتی است.

س: چگونه مقاومت سری ورودی را محاسبه کنم؟

پ: R_series= (V_driver- V_F) / I_F. از V_F دیتاشیت (حداکثر 1.8 ولت) استفاده کنید و I_F را انتخاب کنید (مثلاً 8 میلی‌آمپر برای عملکرد کامل). اطمینان حاصل کنید که درایور می‌تواند جریان مورد نیاز را تأمین کند.

س: آیا به مقاومت Pull-up/Pull-down خارجی روی خروجی نیاز است؟

پ: خیر. خروجی یک مرحله CMOS فعال Push-Pull است که قابلیت تأمین و جذب جریان را فراهم می‌کند.

9. مورد عملی طراحی

سناریو:ایزوله کردن سیگنال UART با ولتاژ 3.3 ولت (نرخ 115200 بیت بر ثانیه) بین یک میکروکنترلر روی برد کنترل موتور پرنویز و یک ماژول ارتباطی روی برد منطقی تمیز.

پیاده‌سازی:از یک کانال EL086L استفاده کنید. در سمت میکروکنترلر، پایه TX را از طریق یک مقاومت 180 اهمی (برای I_F تقریباً 8 میلی‌آمپر با درایور 3.3 ولتی) به ورودی کوپلر نوری (آند) متصل کنید. کاتد را به زمین وصل کنید. در سمت ایزوله شده، پایه V_CC (پایه 8) را با 3.3 ولت از منبع تغذیه ماژول ارتباطی تغذیه کنید. یک خازن سرامیکی 0.1 میکروفاراد را مستقیماً بین پایه 8 (V_CC) و پایه 5 (GND) قرار دهید. خروجی (پایه 7, V_OUT1) را به پایه RX ماژول ارتباطی متصل کنید. CMTI بالای EL086L با وجود نویز زمین از درایور موتور، یکپارچگی داده را تضمین می‌کند.

10. اصل عملکرد

قطعه بر اساس اصل ایزولاسیون نوری عمل می‌کند. اعمال جریان الکتریکی به دیود ساطع‌کننده نور مادون قرمز (LED) ورودی باعث می‌شود نور ساطع کند. این نور از یک مانع ایزوله شفاف نوری (معمولاً یک پلیمر قالب‌گیری شده) عبور می‌کند. در طرف دیگر، یک مدار مجتمع آشکارساز نوری CMOS یکپارچه، شدت نور دریافتی را دوباره به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. این IC CMOS شامل تقویت، شکل‌دهی و یک مرحله خروجی Push-Pull برای تولید یک شکل موج دیجیتال تمیز است. مسیر نوری، ایزولاسیون گالوانیکی را فراهم می‌کند، زیرا هیچ اتصال الکتریکی بین ورودی و خروجی وجود ندارد، فقط یک پرتو نور.

11. روندهای صنعت

روند در ایزولاسیون دیجیتال به سمت سرعت‌های بالاتر، مصرف توان کمتر، پکیج‌های کوچک‌تر و یکپارچگی بیشتر است. در حالی که کوپلرهای نوری سنتی مانند این سری به دلیل سادگی و ولتاژ ایزولاسیون بالا همچنان محبوب هستند، فناوری‌های جایگزین مبتنی بر کوپلینگ خازنی (با استفاده از موانع SiO₂) یا مغناطیسی (مقاومت مغناطیسی غول‌آسا) در حال ظهور هستند. این فناوری‌ها می‌توانند سرعت بالاتر، دقت زمانی بهتر و عمر طولانی‌تری ارائه دهند زیرا LEDی برای تخریب ندارند. با این حال، کوپلرهای نوری با ولتاژ بالا همچنان در کاربردهایی که نیاز به ولتاژ ایزولاسیون کاری بسیار بالا (چند کیلوولت) و قابلیت اطمینان اثبات شده دارند، غالب هستند. یکپارچه‌سازی عملکردهای اضافی مانند تحویل توان از طریق مانع (مبدل‌های DC-DC ایزوله) یا کانال‌های متعدد با رتبه‌های ایمنی پیشرفته نیز یک جهت توسعه کلیدی است.