دیتاشیت سری ELM453H-G - فوتوکوپلر منطقی پرسرعت 10 مگابیت بر ثانیه با پکیج 5 پین SOP و ولتاژ ایزولاسیون 3750 ولت RMS

1. مرور محصول

سری ELM453H-G نماینده خانواده‌ای از فوتوکوپلرهای منطقی پرسرعت (ایزولاتورهای نوری) است که برای کاربردهای ایزولاسیون دیجیتال پرچالش طراحی شده‌اند. این قطعات برای ارائه انتقال سیگنال قابل‌اطمینان در حین حفظ ایزولاسیون الکتریکی بالا بین مدارهای ورودی و خروجی مهندسی شده‌اند. عملکرد اصلی، انتقال سیگنال‌های منطقی دیجیتال از طریق یک سد ایزولاسیون با استفاده از یک LED مادون‌قرمز است که به صورت نوری به یک فوتودیود پرسرعت و یک تقویت‌کننده ترانزیستوری کوپل شده است.

بازار اصلی این قطعه شامل اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های درایو موتور، شبکه‌های ارتباطی فیلدباس و کنترل منبع تغذیه می‌شود که در آن‌ها ایمنی در برابر نویز و ایزولاسیون ایمنی حیاتی است. مزایای اصلی آن ناشی از عملکرد سرعت بهبودیافته آن در مقایسه با کوپلرهای فوتوترانزیستوری متداول است که از طریق یک اتصال بایاس جداگانه برای فوتودیود حاصل می‌شود و ظرفیت بیس-کلکتور را کاهش می‌دهد.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی

این بخش یک تحلیل عینی از پارامترهای کلیدی الکتریکی و نوری مشخص شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد.

2.1 مقادیر حداکثر مطلق

این مقادیر محدودیت‌های تنش را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی رخ دهد. محدودیت‌های کلیدی شامل موارد زیر است:

• جریان مستقیم ورودی (I_F): حداکثر 25 میلی‌آمپر. تجاوز از این مقدار می‌تواند LED ورودی را تخریب یا نابود کند.
• ولتاژ ایزولاسیون (V_ISO): 3750 ولت_RMSبه مدت 1 دقیقه. این یک رتبه‌بندی ایمنی حیاتی است که استحکام دی‌الکتریک سد ایزولاسیون داخلی را تأیید می‌کند و با اتصال کوتاه پایه‌های 1 و 3 در یک طرف و پایه‌های 4، 5 و 6 در طرف دیگر آزمایش شده است.
• دمای عملیاتی (T_OPR): 40- تا 125+ درجه سانتی‌گراد. این محدوده وسیع، عملکرد قابل‌اطمینان در محیط‌های صنعتی خشن را تضمین می‌کند.
• دمای لحیم‌کاری (T_SOL): 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه، مطابق با پروفیل‌های معمول ریفلو بدون سرب.

2.2 مشخصات الکتریکی

پارامترهای عملکرد تضمین شده تحت شرایط آزمایش مشخص شده.

2.2.1 مشخصات ورودی

• ولتاژ مستقیم (V_F): معمولاً 1.4 ولت، با حداکثر 1.8 ولت در I_F=16mA. از این مقدار برای محاسبه مقاومت محدودکننده جریان مورد نیاز در مدار درایور LED استفاده می‌شود.
• ظرفیت ورودی (C_IN): معمولاً 70 پیکوفاراد. ظرفیت پایین‌تر می‌تواند به عملکرد فرکانس بالای بهتر در سمت ورودی کمک کند.

2.2.2 مشخصات خروجی و انتقال

• ولتاژ خروجی سطح پایین (V_OL): حداکثر 0.4 ولت در I_F=16mA، I_O=3mA، V_CC=4.5V. این مقدار سطح منطقی '0' خروجی تحت بار را تعریف می‌کند.
• نسبت انتقال جریان (CTR): حداقل 20% تحت همان شرایط آزمایش. CTR نسبت جریان ترانزیستور خروجی به جریان LED ورودی است. تضمین حداقلی، قابلیت درایو خروجی کافی را تضمین می‌کند.
• جریان خروجی سطح بالا (I_OH): جریان نشتی بسیار کم (حداکثر 5 میکروآمپر در 25 درجه سانتی‌گراد) هنگامی که LED خاموش است، که یک خروجی منطقی '1' تمیز را تضمین می‌کند.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

این پارامترها سرعت و ایمنی در برابر نویز قطعه را تعریف می‌کنند که برای انتقال داده حیاتی هستند.

• تأخیر انتشار (T_PHL, T_PLH): معمولاً 0.35 میکروثانیه (پایین) و 0.45 میکروثانیه (بالا)، با حداکثر 1.0 میکروثانیه. این امکان انتقال سیگنال با نرخ تا 1 مگابیت بر ثانیه را فراهم می‌کند، اگرچه عنوان قابلیت 10 مگابیت بر ثانیه را برای نسخه گیت منطقی پیشنهاد می‌دهد.
• ایمنی در برابر اغتشاش حالت مشترک (CM_H, CM_L): حداقل 10 کیلوولت بر میکروثانیه. این یک پارامتر حیاتی است که نشان‌دهنده توانایی قطعه در رد اغتشاشات ولتاژ سریع (نویز) است که به طور مساوی در دو طرف سد ایزولاسیون ظاهر می‌شود. CMTI بالا از سوئیچینگ کاذب خروجی در محیط‌های پرنویز مانند درایوهای موتور جلوگیری می‌کند.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد

دیتاشیت به منحنی‌های مشخصه الکترو-اپتیکال معمول ارجاع می‌دهد. در حالی که در متن ارائه شده نمایش داده نشده‌اند، این منحنی‌ها معمولاً روابط حیاتی برای طراحی را نشان می‌دهند:

• نسبت انتقال جریان (CTR) در مقابل جریان مستقیم (I_F): نشان می‌دهد که بازده چگونه با جریان درایو تغییر می‌کند و به بهینه‌سازی نقطه کار کمک می‌کند.
• CTR در مقابل دمای محیط (T_A): کاهش رتبه CTR با افزایش دما را نشان می‌دهد که برای عملکرد در دمای بالا ضروری است.
• تأخیر انتشار در مقابل مقاومت بار (R_L): مبادله بین سرعت سوئیچینگ و قابلیت درایو خروجی را نشان می‌دهد.
• ولتاژ مستقیم در مقابل دما: برای مدیریت حرارتی مدار ورودی مهم است.

طراحان باید برای درک این روابط غیرخطی برای طراحی مدار مقاوم، به نمودارهای کامل دیتاشیت مراجعه کنند.

4. اطلاعات مکانیکی و پکیج

4.1 ابعاد پکیج

قطعه در یک پکیج استاندارد 5 پین Small Outline Package (SOP) قرار دارد. نقشه مکانیکی دقیق، ابعاد دقیق طول، عرض، ارتفاع، فاصله پایه‌ها و فاصله از سطح را ارائه می‌دهد. این اطلاعات برای طراحی ردپای PCB و اطمینان از فاصله مناسب حیاتی است.

4.2 طرح‌پد پیشنهادی

یک طرح پد نصب سطحی پیشنهادی ارائه شده است. دیتاشیت به درستی اشاره می‌کند که این یک طراحی مرجع است و باید بر اساس فرآیندهای تولید فردی (مانند نوع خمیر لحیم، پروفیل ریفلو) اصلاح شود. رعایت استانداردهای IPC برای طراحی پد نهایی توصیه می‌شود.

4.3 شناسایی قطبیت و مارکینگ قطعه

پیکربندی پایه‌ها:

1. آند (ورودی LED +)
2. بدون اتصال / داخلی
3. کاتد (ورودی LED -)
4. زمین خروجی (GND)
5. V_OUT(سیگنال خروجی)
6. V_CC(ولتاژ تغذیه خروجی)

مارکینگ قطعه:روی پکیج با "EL" (کد سازنده)، "M453H" (شماره قطعه)، یک کد یک رقمی سال (Y)، یک کد دو رقمی هفته (WW) و یک "V" اختیاری برای نسخه‌های تأیید شده VDE مارک شده است. این امکان ردیابی را فراهم می‌کند.

5. راهنمای لحیم‌کاری و مونتاژ

لحیم‌کاری ریفلو:قطعه برای حداکثر دمای لحیم‌کاری 260 درجه سانتی‌گراد به مدت 10 ثانیه رتبه‌بندی شده است. این با پروفیل‌های استاندارد ریفلو بدون سرب (IPC/JEDEC J-STD-020) همسو است. دمای اوج و زمان بالاتر از نقطه ذوب باید کنترل شود تا از آسیب به پکیج جلوگیری شود.

شرایط نگهداری:محدوده دمای نگهداری 55- تا 125+ درجه سانتی‌گراد است. اطلاعات سطح حساسیت به رطوبت (MSL)، که برای قطعات نصب سطحی حیاتی است، باید از دیتاشیت کامل یا بسته‌بندی تأیید شود. در صورت لزوم، اقدامات احتیاطی استاندارد برای پخت قطعات جاذب رطوبت قبل از ریفلو باید رعایت شود.

6. اطلاعات بسته‌بندی و سفارش

6.1 شماره قطعه برای سفارش

شماره قطعه از ساختار زیر پیروی می‌کند:ELM453H(Z)-VG

• Z: گزینه نوار و قرقره. 'None' برای تیوب (100 عدد)، 'TA' یا 'TB' برای جهت‌های مختلف قرقره (3000 عدد در قرقره).
• V: نشان‌دهنده گواهینامه VDE است.
• G: نشان‌دهنده ترکیب مواد بدون هالوژن است.

6.2 مشخصات نوار و قرقره

ابعاد دقیق نوار حامل (عرض، اندازه حفره، فاصله) و مشخصات قرقره برای مونتاژ خودکار Pick-and-Place ارائه شده است. گزینه‌های TA و TB در جهت قرارگیری قطعه درون نوار متفاوت هستند که بر جهت تغذیه از قرقره تأثیر می‌گذارد.

7. پیشنهادات کاربردی

7.1 مدارهای کاربردی متداول

دریافت‌کننده خط / ایزولاسیون سیگنال دیجیتال:این قطعه برای ایزوله کردن خطوط داده سریال مانند RS-485، CAN یا سایرین در شبکه‌های صنعتی ایده‌آل است. CMTI بالا در برابر اختلاف پتانسیل زمین و نویز محافظت می‌کند.

ایزولاسیون درایو گیت در درایوهای موتور:برای ایزوله کردن سیگنال کنترل کم‌ولتاژ از مدار درایو گیت پرولتاژ و پرنویز برای IGBT یا MOSFET استفاده می‌شود. ولتاژ ایزولاسیون بالا (3750 ولت RMS) و سرعت در اینجا کلیدی هستند.

ایزولاسیون زمین منطقی:جداسازی زمین دیجیتال بین زیرسیستم‌ها (مثلاً بین یک رابط سنسور آنالوگ حساس و یک میکروکنترلر پرنویز) برای جلوگیری از حلقه‌های زمینی و کوپلینگ نویز.

7.2 ملاحظات طراحی

• محدود کردن جریان ورودی:باید از یک مقاومت خارجی برای تنظیم جریان مستقیم LED (I_F) استفاده شود، معمولاً حدود 16 میلی‌آمپر برای پارامترهای تضمین شده. مقدار مقاومت R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F.
• مقاومت Pull-Up خروجی:یک مقاومت Pull-Up (R_L) در خروجی (پایه 5 به V_CC) مورد نیاز است. مقدار آن بر سرعت سوئیچینگ (R_L پایین‌تر = سریع‌تر، اما جریان بالاتر) و سطح منطقی بالا تأثیر می‌گذارد. شرایط آزمایش از 1.9 کیلواهم استفاده می‌کند.
• دکاپلینگ منبع تغذیه:یک خازن سرامیکی 0.1 میکروفاراد را نزدیک به پایه‌های 4 (GND) و 6 (V_CC) قرار دهید تا عملکرد پایدار تضمین شود و نویز سوئیچینگ به حداقل برسد.
• فاصله خزش و فاصله هوایی:روی PCB، فاصله خزش و فاصله هوایی کافی بین مدارهای ورودی و خروجی (شامل ترک‌ها و قطعات) حفظ کنید تا رتبه ولتاژ بالای ایزولاسیون حفظ شود. از استانداردهای ایمنی مربوطه (مانند IEC 61010-1) پیروی کنید.

8. مقایسه و تمایز فنی

تمایز اصلی ELM453H-G از کوپلرهای فوتوترانزیستوری استاندارد،سرعت آن است. با ارائه یک اتصال بیس جداگانه (از طریق فوتودیود مجتمع) برای بایاس ترانزیستور خروجی، به شدت اثر ظرفیت میلر را که کوپلرهای فوتوترانزیستوری متداول را کند می‌کند، کاهش می‌دهد. این آن را برای انتقال داده دیجیتال در محدوده 1 مگابیت بر ثانیه تا 10 مگابیت بر ثانیه مناسب می‌سازد، در حالی که قطعات استاندارد اغلب به زیر 100 کیلوبیت بر ثانیه محدود هستند.

علاوه بر این، مجموعه جامع گواهینامه‌های ایمنی بین‌المللی آن (UL, cUL, VDE, SEMKO و غیره) و سازگاری با مقررات بدون هالوژن، RoHS و REACH، آن را به انتخابی ترجیحی برای بازارهای جهانی با الزامات سخت زیست‌محیطی و ایمنی تبدیل می‌کند.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: حداکثر نرخ داده‌ای که این فوتوکوپلر می‌تواند پشتیبانی کند چیست؟

ج: بر اساس حداکثر تأخیر انتشار 1.0 میکروثانیه، قطعه می‌تواند به طور قابل‌اطمینان نرخ داده حداقل 1 مگابیت بر ثانیه را پشتیبانی کند. ارجاع 10 مگابیت بر ثانیه در عنوان، عملکرد بهینه یا یک نسخه خاص را پیشنهاد می‌دهد؛ حداکثر نرخ واقعی به طراحی مدار (R_L, I_F) بستگی دارد و برای کاربردهای حیاتی باید با اندازه‌گیری‌های اسکوپ تأیید شود.

س: چگونه اطمینان حاصل کنم که رتبه ایزولاسیون بالا در طراحی من حفظ می‌شود؟

ج: ساختار داخلی قطعه، ایزولاسیون را فراهم می‌کند. برای حفظ آن روی PCB، باید فاصله فیزیکی کافی (خزش/هوایی) بین تمام عناصر هادی (ترک‌ها، پدها، قطعات) مرتبط با سمت ورودی (پایه‌های 1،2،3) و سمت خروجی (پایه‌های 4،5،6) حفظ کنید. از دستورالعمل‌های چیدمان PCB برای عایق‌بندی تقویت شده بر اساس ولتاژ کاری پیروی کنید.

س: آیا می‌توانم از این برای ایزوله کردن سیگنال‌های آنالوگ استفاده کنم؟

ج: در حالی که برای ایزولاسیون زمین سیگنال آنالوگ فهرست شده است، اساساً یک قطعه دیجیتال (گیت منطقی) با CTR غیرخطی است. برای ایزولاسیون خطی سیگنال آنالوگ ایده‌آل نیست. برای آن منظور، یک فوتوکوپلر خطی اختصاصی یا یک تقویت‌کننده ایزوله مناسب‌تر خواهد بود.

10. مورد استفاده عملی

سناریو: ارتباط SPI ایزوله در یک واحد کنترل موتور.

یک میکروکنترلر روی یک برد کنترل 3.3 ولتی نیاز به ارسال داده پیکربندی از طریق SPI به یک ADC واقع در نزدیکی فاز موتور پرتوان دارد. پتانسیل‌های زمین پرنویز و متفاوت هستند. یک ELM453H-G می‌تواند برای ایزوله کردن خطوط کلاک SPI (SCK) و انتخاب تراشه (CS) استفاده شود. GPIO میکروکنترلر LED را از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان راه‌اندازی می‌کند. پایه خروجی (5) از طریق یک مقاومت 2.2 کیلواهمی به منبع تغذیه 5 ولتی ADC Pull-Up شده و یک سیگنال منطقی تمیز و ایزوله ارائه می‌دهد. CMTI بالا تضمین می‌کند که سیگنال‌های SPI توسط نویز سوئیچینگ موتور خراب نشوند.

11. اصل عملکرد

قطعه بر اساس اصل کوپلینگ نوری عمل می‌کند. یک جریان الکتریکی اعمال شده به دیود ساطع‌کننده مادون‌قرمز ورودی (IRED) باعث می‌شود که نور ساطع کند. این نور از یک سد ایزولاسیون شفاف (معمولاً سیلیکون یا پلیمر قالب‌گیری شده) عبور می‌کند و به یک فوتودیود درون تراشه آشکارساز مجتمع برخورد می‌کند. جریان فوتودیود توسط یک مرحله ترانزیستوری تقویت و پردازش می‌شود تا یک سیگنال خروجی دیجیتال متناظر تولید کند (جریان را به زمین می‌کشد هنگامی که فعال است). ایزولاسیون الکتریکی کامل حاصل می‌شود زیرا سیگنال توسط نور منتقل می‌شود و هیچ مسیر هدایت الکتریکی در عرض سد وجود ندارد.

12. روندهای صنعت

روند در ایزولاسیون سیگنال به سمت سرعت‌های بالاتر، مصرف توان کمتر، پکیج‌های کوچک‌تر و ادغام کانال‌های متعدد در یک پکیج واحد است. در حالی که فوتوکوپلرهای مستقل مانند ELM453H-G به دلیل استحکام، قابلیت ولتاژ بالا و سادگی حیاتی باقی می‌مانند، فناوری‌های جدیدتر مانند ایزولاتورهای خازنی و ایزولاتورهای مقاومت مغناطیسی غول‌آسا (GMR) در کاربردهایی که نیاز به نرخ داده بسیار بالا (>100 مگابیت بر ثانیه) یا قابلیت اطمینان بهبودیافته در میدان‌های مغناطیسی شدید دارند، رقابت می‌کنند. با این حال، کوپلینگ نوری همچنان در کاربردهایی که نیاز به ایزولاسیون ولتاژ کاری بسیار بالا، قابلیت اطمینان بلندمدت اثبات شده و ایمنی در برابر اغتشاش مغناطیسی دارند، غالب است.