دیتاشیت سری ELM6XX - فوتوکوپلر گیت منطقی پرسرعت 10 مگابیت بر ثانیه با پکیج 5 پین SOP

1. مرور کلی محصول

سری ELM6XX نماینده خانواده‌ای از فوتوکوپلرهای گیت منطقی پرسرعت و با کارایی بالا است که برای کاربردهای ایزولاسیون دیجیتال پرچالش طراحی شده‌اند. این قطعات یک دیود مادون قرمز منتشرکننده نور را که به صورت نوری به یک فوتودتکتور مجتمع پرسرعت با یک مرحله خروجی گیت منطقی کوپل شده، یکپارچه کرده و قابلیت خروجی استروب را ارائه می‌دهند. این قطعات در یک پکیج فشرده 5 پین SOP بسته‌بندی شده‌اند، با استاندارد صنعتی رایج مطابقت دارند و ادغام آسان در طراحی‌های موجود و لایه‌های PCB را تسهیل می‌کنند.

عملکرد اصلی این قطعه، ایجاد ایزولاسیون گالوانیکی بین دو مدار الکتریکی در حین انتقال سیگنال‌های منطقی دیجیتال است. این ایزولاسیون برای شکستن حلقه‌های زمین، محافظت از مدارهای منطقی حساس در برابر اسپایک‌های ولتاژ و نویز موجود در سایر بخش‌های یک سیستم، و تضمین ایمنی در کاربردهای دارای ولتاژ مد مشترک بالا حیاتی است.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

سری ELM6XX با چندین مزیت کلیدی طراحی شده است که آن را برای سیستم‌های الکترونیکی مدرن مناسب می‌سازد. قابلیت پرسرعت 10 مگابیت بر ثانیه امکان استفاده از آن را در رابط‌های ارتباط داده سریع فراهم می‌کند. این قطعات عملکرد تضمین‌شده در محدوده دمای کاری گسترده از 40- درجه سانتی‌گراد تا 85+ درجه سانتی‌گراد را ارائه می‌دهند و قابلیت اطمینان در محیط‌های صنعتی و خودرویی را تضمین می‌کنند. ولتاژ ایزولاسیون بالا معادل 3750 ولت_rmsمحافظت قوی ارائه می‌دهد. علاوه بر این، این سری با استانداردهای اصلی زیست‌محیطی و ایمنی مطابقت دارد، از جمله عاری از هالوژن، عاری از سرب، مطابق با RoHS، و تأیید شده توسط UL، cUL، VDE، SEMKO، NEMKO، DEMKO و FIMKO.

بازارها و کاربردهای هدف اصلی عبارتند از:

• اتوماسیون صنعتی:برای ایزوله کردن I/Oهای PLC، درایورهای موتور و رابط‌های سنسور از منطق کنترلی.
• مخابرات و انتقال داده:در گیرنده‌های خطی و سیستم‌های مالتی‌پلکسینگ داده برای حذف نویز.
• الکترونیک قدرت:به عنوان جایگزینی قابل اطمینان برای ترانسفورماتورهای پالس در حلقه‌های فیدبک منبع تغذیه سوئیچینگ.
• پیرامونی‌های کامپیوتر:برای واسط‌سازی بین سیستم‌هایی با پتانسیل زمین متفاوت.
• رابط دیجیتال عمومی:برای ترجمه سطح و ایزولاسیون بین خانواده‌های منطقی مانند LSTTL، TTL و CMOS 5 ولت.

2. تحلیل عمیق پارامترهای فنی

این بخش تفسیر دقیق و عینی از پارامترهای کلیدی الکتریکی و عملکردی مشخص شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد. درک این پارامترها برای طراحی صحیح مدار و تضمین عملکرد قابل اطمینان حیاتی است.

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

محدوده‌های حداکثر مطلق، محدودیت‌های تنشی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. اینها شرایط کاری نیستند.

• جریان مستقیم ورودی (I_F):50 میلی‌آمپر. تجاوز از این جریان احتمالاً دیود مادون قرمز منتشرکننده نور داخلی (IRED) را از بین می‌برد.
• ولتاژ معکوس ورودی (V_R):5 ولت. IRED به بایاس معکوس حساس است؛ این محدودیت باید به شدت رعایت شود.
• ولتاژ تغذیه (V_CC) و ولتاژ خروجی (V_O):7.0 ولت. این حداکثر ولتاژی را تعریف می‌کند که می‌توان به تغذیه و پایه خروجی سمت خروجی اعمال کرد.
• ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO):3750 ولت_rmsبه مدت 1 دقیقه. این یک پارامتر ایمنی کلیدی است که با اتصال کوتاه پایه‌های ورودی (1،3) به یکدیگر و پایه‌های خروجی (4،5،6) به یکدیگر آزمایش می‌شود. این پارامتر استحکام دی‌الکتریک سد عایق داخلی را تأیید می‌کند.
• دمای کاری و ذخیره‌سازی:این قطعه برای کار در دمای 40- تا 85+ درجه سانتی‌گراد و ذخیره‌سازی در دمای 55- تا 125+ درجه سانتی‌گراد درجه‌بندی شده است.
• دمای لحیم‌کاری:260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه. این برای فرآیندهای مونتاژ PCB با استفاده از لحیم‌کاری ری‌فلو مهم است.

2.2 مشخصات الکتریکی

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط کاری نرمال تعریف می‌کنند (T_A= 40- تا 85 درجه سانتی‌گراد مگر خلاف آن ذکر شده باشد).

2.2.1 مشخصات ورودی (سمت IRED)

• ولتاژ مستقیم (V_F):معمولاً 1.45 ولت، با حداکثر 1.8 ولت در I_F=10 میلی‌آمپر. از این مقدار برای محاسبه مقاومت محدودکننده جریان مورد نیاز در سمت ورودی استفاده می‌شود.
• ضریب دمایی V_F:تقریباً 1.9- میلی‌ولت بر درجه سانتی‌گراد. ولتاژ مستقیم با افزایش دما کمی کاهش می‌یابد.
• ظرفیت ورودی (C_IN):معمولاً 70 پیکوفاراد. این بر پاسخ فرکانس بالا و نیازهای درایو مدار ورودی تأثیر می‌گذارد.

2.2.2 مشخصات خروجی و انتقال

• جریان‌های تغذیه: I_CCH(خروجی بالا) معمولاً 6.0 میلی‌آمپر است، و I_CCL(خروجی پایین) معمولاً 7.5 میلی‌آمپر با V_CC=5.5 ولت است. این مقادیر مصرف توان در سمت خروجی را تعیین می‌کنند.
• جریان خروجی سطح بالا (I_OH):خروجی می‌تواند در حالت بالا جریان بسیار کمی (معمولاً 2.1 میکروآمپر) تأمین کند. این قطعه برای درایو ورودی‌های CMOS با امپدانس بالا طراحی شده است، نه برای تأمین جریان قابل توجه.
• ولتاژ خروجی سطح پایین (V_OL):معمولاً 0.4 ولت، حداکثر 0.6 ولت هنگام سینک 13 میلی‌آمپر. این یک سطح منطقی "0" محکم را تعریف می‌کند.
• جریان آستانه ورودی (I_FT):معمولاً 2.4 میلی‌آمپر، حداکثر 5 میلی‌آمپر. این حداقل جریان ورودی مورد نیاز برای تضمین سوئیچ خروجی به یک حالت پایین معتبر (V_OL≤ 0.6 ولت) تحت شرایط بار مشخص شده است. این یک پارامتر حیاتی برای تضمین مصونیت در برابر نویز است.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

این پارامترها عملکرد دینامیک فوتوکوپلر را تعریف می‌کنند که تحت شرایط استاندارد اندازه‌گیری شده است (V_CC=5 ولت، I_F=7.5 میلی‌آمپر، C_L=15 پیکوفاراد، R_L=350 اهم).

• تأخیرهای انتشار (t_PHL, t_PLH):زمان از نقطه 50٪ انتقال جریان ورودی تا نقطه متناظر روی انتقال ولتاژ خروجی. t_PLH(به بالا) معمولاً 50 نانوثانیه است، و t_PHL(به پایین) معمولاً 41 نانوثانیه است، هر دو با حداکثر 100 نانوثانیه. این تأخیرها حداکثر نرخ داده را محدود می‌کنند.
• اعوجاج عرض پالس (|t_PHL– t_PLH|):معمولاً 9 نانوثانیه، حداکثر 35 نانوثانیه. این عدم تقارن در تأخیرهای صعود/سقوط می‌تواند پالس‌های خروجی را در فرکانس‌های بالا باریک کند.
• زمان‌های صعود/سقوط (t_r, t_f):زمان صعود خروجی معمولاً 40 نانوثانیه و زمان سقوط معمولاً 10 نانوثانیه است. لبه‌های سریع‌تر عموماً برای یکپارچگی سیگنال بهتر هستند.
• مصونیت گذرای مد مشترک (CMH, CML):این یک پارامتر حیاتی برای قطعات ایزولاتور است. این پارامتر مصونیت حالت خروجی در برابر گذرای ولتاژ سریع در سراسر سد ایزولاسیون را اندازه‌گیری می‌کند. به عنوان مثال، ELM601 می‌تواند dV/dt معادل 5000 ولت بر میکروثانیه با سیگنال مد مشترک 50 ولت پیک تا پیک را بدون تغییر حالت نادرست تحمل کند. ELM611 مصونیت حتی بالاتری ارائه می‌دهد (20000 ولت بر میکروثانیه در 1000 ولت_p-p).

3. اطلاعات مکانیکی و پکیج

قطعه در یک پکیج 5 پین SOP قرار دارد. پیکربندی پایه‌ها به شرح زیر است:

• پایه 1:آند IRED ورودی.
• پایه 2:متصل نیست (NC).
• پایه 3:کاتد IRED ورودی.
• پایه 4:زمین (GND) برای سمت خروجی.
• پایه 5:ولتاژ خروجی (V_OUT).
• پایه 6:ولتاژ تغذیه (V_CC) برای سمت خروجی.

دیتاشیت شامل یک نقشه ابعاد پکیج دقیق (بر حسب میلی‌متر) است که باید برای طراحی جای پایه PCB مورد مشورت قرار گیرد. یک طرح پد توصیه شده برای مونتاژ سطحی نیز ارائه شده است تا لحیم‌کاری قابل اطمینان و پایداری مکانیکی تضمین شود.

4. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

مدیریت و مونتاژ صحیح برای قابلیت اطمینان ضروری است. این قطعه برای حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه درجه‌بندی شده است که با پروفایل‌های استاندارد لحیم‌کاری ری‌فلو بدون سرب (مانند IPC/JEDEC J-STD-020) هماهنگ است.

ملاحظات کلیدی:

• از طرح پد توصیه شده برای جلوگیری از ایستادن قائم یا ناهمترازی در حین ری‌فلو استفاده کنید.
• به پروفایل دمایی مشخص شده پایبند باشید تا از آسیب حرارتی به دی داخلی و پکیج پلاستیکی جلوگیری شود.
• در حین جابجایی، اقدامات احتیاطی استاندارد ESD (تخلیه الکترواستاتیک) را رعایت کنید، زیرا قطعه حاوی اجزای نیمه‌هادی حساس است.
• قطعات را در یک محیط خشک و کنترل شده مطابق با درجه دمای ذخیره‌سازی (55- تا 125+ درجه سانتی‌گراد) نگهداری کنید.

5. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

سری ELM6XX در گزینه‌های بسته‌بندی مختلف برای پاسخگویی به نیازهای تولید موجود است:

• گزینه استاندارد (None):قطعات در تیوب‌های ضد استاتیک عرضه می‌شوند، با 100 عدد در هر تیوب.
• گزینه نوار و قرقره (TA/TB):قطعات بر روی نوار و قرقره برای مونتاژ اتوماتیک Pick-and-Place عرضه می‌شوند، با 3000 عدد در هر قرقره. احتمالاً 'TA' و 'TB' به اندازه‌های قرقره یا مشخصات نوار متفاوت اشاره دارند.

سیستم شماره‌گذاری قطعه:ELM6XX(Z)-V

• XX:شماره قطعه خاص (00، 01، یا 11). اینها انواع مختلف را متمایز می‌کنند، احتمالاً بر اساس درجه‌بندی‌های مصونیت گذرای مد مشترک (مانند ELM600، ELM601، ELM611).
• Z:گزینه نوار و قرقره (TA، TB، یا هیچ برای تیوب).
• V:علامت تأیید اختیاری VDE.

6. پیشنهادات کاربردی و ملاحظات طراحی

6.1 مدارهای کاربردی متداول

کاربرد اصلی، ایزولاسیون سیگنال دیجیتال است. یک مدار متداول شامل یک مقاومت محدودکننده جریان در سری با IRED ورودی است که به یک سیگنال منطقی متصل می‌شود. پایه خروجی (V_OUT) از طریق یک مقاومت Pull-up (R_CC) به V_Lمتصل شده و ورودی گیت منطقی گیرنده را درایو می‌کند. مقدار R_L(مثلاً 350 اهم) و ظرفیت بار بر سرعت سوئیچینگ تأثیر می‌گذارند.

6.2 نکات حیاتی طراحی

• جریان ورودی:اطمینان حاصل کنید که جریان ورودی (I_F) حداکثر جریان آستانه ورودی (I_FT) را برای تضمین خروجی پایین برآورده یا از آن فراتر می‌رود، اما از محدوده حداکثر مطلق تجاوز نمی‌کند. یک I_Fکاری متداول 7.5 تا 10 میلی‌آمپر است.
• مصونیت در برابر نویز:برای محیط‌های پرنویز، یک نوع (ELM601 یا ELM611) با مصونیت گذرای مد مشترک بالاتر مناسب برای سطوح نویز مورد انتظار در کاربرد انتخاب کنید.
• دکاپلینگ منبع تغذیه:از خازن‌های بای‌پس (مانند 0.1 میکروفاراد) نزدیک به پایه‌های V_CCو GND در سمت خروجی برای اطمینان از عملکرد پایدار و به حداقل رساندن نویز سوئیچینگ استفاده کنید.
• جدول درستی:قطعه به عنوان یک بافر غیروارون‌گر عمل می‌کند. یک منطق High (H) روی ورودی (IRED روشن) یک منطق Low (L) روی خروجی تولید می‌کند. یک منطق Low (L) روی ورودی (IRED خاموش) یک منطق High (H) روی خروجی تولید می‌کند (به دلیل مقاومت Pull-up).

7. مقایسه و تمایز فنی

در مقایسه با فوتوکوپلرهای سری استاندارد 4N25/4N35، سری ELM6XX سرعت به مراتب بالاتر (10 مگابیت بر ثانیه در مقابل حدود 100 کیلوبیت بر ثانیه) و حذف مد مشترک برتر ارائه می‌دهد. خروجی گیت منطقی آن شکل موج‌های دیجیتال تمیزی ارائه می‌دهد بدون نیاز به مدارهای اشمیت تریگر اضافی که اغلب برای خروجی‌های فوتوترانزیستور مورد نیاز است. پکیج 5 پین SOP فشرده‌تر از پکیج‌های قدیمی DIP است. تمایز کلیدی درون خود سری ELM6XX، درجه‌بندی مصونیت گذرای مد مشترک است که به طراحان اجازه می‌دهد سطح مناسب هزینه/عملکرد را برای محیط نویز خاص خود انتخاب کنند.

8. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

سوال 1: حداکثر نرخ داده‌ای که می‌توانم با این فوتوکوپلر به دست آورم چقدر است؟

پاسخ: تأخیرهای انتشار معمولی امکان نرخ داده تا 10 مگابیت بر ثانیه را همانطور که مشخص شده است فراهم می‌کنند. با این حال، حداکثر نرخ قابل اطمینان واقعی در یک سیستم به دلیل اعوجاج عرض پالس و زمان‌های Setup/Hold منطق گیرنده کمتر خواهد بود. یک طراحی محافظه‌کارانه ممکن است 5 تا 8 مگابیت بر ثانیه را هدف قرار دهد.

سوال 2: چگونه بین ELM600، ELM601 و ELM611 انتخاب کنم؟

پاسخ: انتخاب عمدتاً بر اساس مصونیت گذرای مد مشترک مورد نیاز (CMTI) است. از ELM600 برای ایزولاسیون پایه با نویز کم استفاده کنید. ELM601 (5000 ولت بر میکروثانیه) برای کاربردهای درایو موتور صنعتی و منبع تغذیه مناسب است. ELM611 (20000 ولت بر میکروثانیه) برای محیط‌های بسیار پرنویز مانند اینورترهای توان بالا است.

سوال 3: آیا می‌توانم از این قطعه برای درایو مستقیم یک LED یا رله استفاده کنم؟

پاسخ: خیر. خروجی برای درایو ورودی‌های منطقی CMOS یا TTL با امپدانس بالا طراحی شده است. قابلیت تأمین/سینک جریان آن محدود است (I_OHبسیار کم است، I_OLدر 13 میلی‌آمپر مشخص شده است). برای درایو بارهای با جریان بالاتر، یک مرحله بافر یا ترانزیستور اضافی مورد نیاز است.

سوال 4: چه مقداری برای مقاومت Pull-up (R_L) باید استفاده کنم؟

پاسخ: دیتاشیت شرایط آزمایش را با R_L=350 اهم مشخص می‌کند. این یک نقطه شروع خوب است. یک مقاومت کوچکتر زمان‌های صعود سریع‌تری ارائه می‌دهد اما مصرف توان و جریان خروجی را افزایش می‌دهد. یک مقاومت بزرگتر توان را ذخیره می‌کند اما زمان صعود را کند می‌کند. مقدار باید با در نظر گرفتن ظرفیت بار و سرعت مورد نیاز انتخاب شود.

9. مطالعه موردی کاربردی عملی

سناریو: ایزوله کردن UART میکروکنترلر از یک ترانسیور RS-485.

در یک گره سنسور صنعتی، خط TX UART یک میکروکنترلر 3.3 ولتی نیاز به ایزوله شدن از یک ترانسیور RS-485 5 ولتی دارد که به یک باس پرنویز طولانی متصل است. یک ELM601 می‌تواند برای این منظور استفاده شود. پایه میکروکنترلر IRED را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان (مثلاً (3.3 ولت - 1.45 ولت)/7.5 میلی‌آمپر ≈ 247 اهم) درایو می‌کند. سمت خروجی توسط ریل 5 ولتی ترانسیور RS-485 تغذیه می‌شود. پایه V_OUT، که با یک مقاومت 350 اهمی به 5 ولت Pull-up شده است، مستقیماً به پایه ورودی درایور (DI) آی‌سی RS-485 متصل می‌شود. این تنظیم اتصال زمین بین میکروکنترلر حساس و باس پرنویز را قطع می‌کند، میکروکنترلر را در برابر گذراهای ناشی از باس محافظت می‌کند و ترجمه سطح منطقی از 3.3 ولت به 5 ولت را مدیریت می‌کند. CMTI بالای ELM601 تضمین می‌کند که سیگنال دیجیتال علیرغم نویز روی باس دست‌نخورده باقی بماند.

10. اصل عملکرد

قطعه بر اساس اصل تبدیل نوری-الکترونیکی عمل می‌کند. یک جریان الکتریکی اعمال شده به سمت ورودی (پایه‌های 1 و 3) باعث می‌شود دیود مادون قرمز منتشرکننده نور (IRED) نور ساطع کند. این نور از یک سد عایق شفاف داخلی (معمولاً یک شکاف پلاستیکی قالب‌گیری شده) عبور می‌کند. در سمت خروجی، یک مدار مجتمع فوتودتکتور سیلیکونی یکپارچه این نور را دریافت می‌کند. این آی‌سی شامل یک فوتودیود، یک تقویت‌کننده با بهره بالا و یک مرحله خروجی گیت منطقی (احتمالاً یک ساختار Totem-pole یا مشابه) است. تقویت‌کننده جریان فوتو را به ولتاژ تبدیل می‌کند، که مرحله منطقی آن را بافر کرده و به عنوان یک سیگنال دیجیتال تمیز خروجی می‌دهد. ویژگی 'خروجی استروب' ذکر شده احتمالاً به یک لچ داخلی یا عملکرد Enable اشاره دارد که می‌تواند حالت خروجی را نگه دارد، اما جزئیات خاص نیازمند شماتیک داخلی کامل است.

11. روندهای فناوری

روند در ایزولاسیون دیجیتال به سمت سرعت‌های بالاتر، مصرف توان کمتر، پکیج‌های کوچکتر و یکپارچگی بالاتر است. در حالی که فوتوکوپلرهایی مانند ELM6XX برای بسیاری از کاربردها عالی باقی می‌مانند، فناوری‌های جایگزین مبتنی بر کوپلینگ خازنی (با استفاده از سدهای SiO₂) یا مقاومت مغناطیسی غول‌آسا (GMR) در حال ظهور هستند. این فناوری‌ها می‌توانند نرخ داده حتی بالاتر (بسیار بیشتر از 100 مگابیت بر ثانیه)، تقارن زمانی بهتر (اعوجاج عرض پالس کمتر) و طول عمر طولانی‌تر را ارائه دهند زیرا LED ندارند که تخریب شود. با این حال، فوتوکوپلرهای با کارایی بالا به دلیل قابلیت اطمینان اثبات شده، CMTI بالا، سادگی و مقرون‌به‌صرفه بودن برای سرعت‌های تا ده‌ها مگابیت بر ثانیه همچنان به طور گسترده استفاده می‌شوند. توسعه قطعاتی مانند سری ELM6XX، با CMTI درجه‌بندی شده و مواد عاری از هالوژن، نشان‌دهنده تکامل مداوم برای پاسخگویی به خواسته‌های سخت‌گیرانه‌تر زیست‌محیطی و عملکردی در الکترونیک مدرن است.