دیتاشیت فنی سری ELS680-G - فوتوکوپلر رابط درایو گیت و پاور هوشمند با ایزولاسیون 5000 ولت RMS در بسته‌بندی 6 پایه SDIP

1. مرور کلی محصول

سری ELS680-G نماینده‌ای از خانواده فوتوکوپلرهای رابط درایو گیت و پاور هوشمند با عملکرد بالا است. این قطعات به گونه‌ای طراحی شده‌اند که ایزولاسیون الکتریکی قوی و انتقال سیگنال قابل اطمینان را بین مدارهای کنترل ولتاژ پایین و مراحل قدرت ولتاژ بالا، مانند آنچه در درایورهای موتور و اینورترهای صنعتی یافت می‌شود، فراهم کنند. عملکرد اصلی، تبدیل سیگنال ورودی سطح منطقی به یک سیگنال خروجی ایزوله شده متناظر است که قادر به درایو مستقیم گیت IGBT یا MOSFET، یا اتصال به یک ماژول پاور هوشمند (IPM) می‌باشد.

کاربرد اصلی، جایگزینی مدارهای مجزای اپتوکوپلر و درایور است که طراحی را ساده‌تر کرده، قابلیت اطمینان را بهبود بخشیده و مصونیت در برابر نویز را در محیط‌های سوئیچینگ توان بالا افزایش می‌دهد. مرحله خروجی توتم‌پول یکپارچه، یک ویژگی کلیدی است که نیاز به مقاومت pull-up خارجی را حذف کرده و قابلیت تامین و جذب جریان کافی برای درایو مستقیم گیت را فراهم می‌کند.

1.1 مزایای اصلی و بازار هدف

سری ELS680-G چندین مزیت متمایز برای طراحی الکترونیک قدرت ارائه می‌دهد. اول، ولتاژ ایزولاسیون بالا معادل 5000 ولت RMS است که حاشیه ایمنی حیاتی را فراهم کرده و الزامات سختگیرانه تجهیزات صنعتی را برآورده می‌کند. دوم، این قطعه با استانداردهای بدون هالوژن مطابقت دارد (برم<900 ppm، کلر<900 ppm، برم+کلر<1500 ppm)، که آن را برای کاربردهای دوستدار محیط زیست مناسب می‌سازد. همچنین بدون سرب و مطابق با RoHS است.

بازارهای هدف این قطعه عمدتاً اتوماسیون صنعتی و تبدیل توان هستند. کاربردهای خاص شامل درایورهای موتور AC و DC بدون جاروبک، اینورترهای صنعتی، منابع تغذیه بدون وقفه (UPS) و اینورترهای خورشیدی می‌شود. هر سیستمی که نیاز به سیگنال‌های کنترل ایزوله قابل اطمینان برای سویچ‌های قدرت ولتاژ بالا داشته باشد، یک حوزه کاربرد بالقوه است.

2. بررسی عمیق پارامترهای فنی و تفسیر عینی

این بخش تحلیل دقیقی از مشخصات الکتریکی و عملکردی ذکر شده در دیتاشیت ارائه می‌دهد. درک این پارامترها برای طراحی مدار قابل اطمینان حیاتی است.

2.1 محدوده‌های حداکثر مطلق

محدوده‌های حداکثر مطلق، حدود تنش‌هایی را تعریف می‌کنند که فراتر از آن ممکن است آسیب دائمی به قطعه وارد شود. کارکرد مداوم در این حدود یا نزدیک به آن توصیه نمی‌شود. محدوده‌های کلیدی شامل: جریان مستقیم ورودی (IF) معادل 25 میلی‌آمپر، جریان متوسط خروجی (IO(AVG)) معادل 60 میلی‌آمپر و ولتاژ تغذیه (VCC) معادل 30 ولت است. تلفات توان کل قطعه (PTOT) به 350 میلی‌وات محدود شده است. ولتاژ ایزولاسیون (VISO) برای مدت یک دقیقه معادل 5000 ولت RMS درجه‌بندی شده و تحت شرایط اتصال کوتاه پایه‌های خاص آزمایش می‌شود. محدوده دمای کاری از 40- درجه سانتیگراد تا 100+ درجه سانتیگراد است.

2.2 مشخصات الکتریکی

این پارامترها عملکرد قطعه را تحت شرایط کاری نرمال در محدوده دمای مشخص شده تعریف می‌کنند.

2.2.1 مشخصات ورودی

ورودی یک دیود نورافشان مادون قرمز (LED) است. ولتاژ مستقیم معمول (VF) در جریان مستقیم (IF) معادل 10 میلی‌آمپر، 1.5 ولت و حداکثر آن 1.8 ولت است. جریان آستانه ورودی (IFT) یک پارامتر حیاتی است که حداقل جریان LED مورد نیاز برای تضمین یک خروجی منطقی پایین معتبر را مشخص می‌کند. دیتاشیت حداکثر IFT را در VCC=4.5 ولت معادل 5 میلی‌آمپر (معمولاً 2.5 میلی‌آمپر) مشخص کرده است. طراحان باید اطمینان حاصل کنند که مدار درایور می‌تواند حداقل این جریان را برای عملکرد قابل اطمینان تامین کند.

2.2.2 مشخصات خروجی و انتقال

خروجی یک فوتودتکتور یکپارچه پرسرعت با پیکربندی توتم‌پول است. پارامترهای کلیدی شامل: ولتاژ خروجی سطح بالا (VOH) که معمولاً بسیار نزدیک به VCC است (حداقل VCC - 0.5V) و ولتاژ خروجی سطح پایین (VOL) که معمولاً بسیار نزدیک به VEE است (حداکثر VEE + 0.5V). جریان‌های تغذیه (ICCH, ICCL) هر دو با حداکثر 3.2 میلی‌آمپر مشخص شده‌اند. جریان‌های خروجی اتصال کوتاه (IOSL, IOSH) نشان‌دهنده قابلیت محدود کردن جریان مرحله خروجی هستند که حداقل/حداکثر ±60 میلی‌آمپر درجه‌بندی شده‌اند.

2.3 مشخصات سوئیچینگ

این پارامترها عملکرد زمانی فوتوکوپلر را تعریف می‌کنند که برای کاربردهای سوئیچینگ فرکانس بالا حیاتی است.

• تاخیر انتشار (tPHL, tPLH):زمان از تغییر جریان LED ورودی تا تغییر متناظر خروجی. مقادیر معمول 130 نانوثانیه (tPHL) و 140 نانوثانیه (tPLH) با حداکثر 350 نانوثانیه است.
• اعوجاج عرض پالس (PWD):تفاوت مطلق بین tPHL و tPLH. یک PWD پایین (حداکثر 250 نانوثانیه) برای حفظ یکپارچگی سیگنال در کاربردهای زمان‌بندی دقیق مهم است.
• زمان صعود/سقوط (tr, tf):سرعت لبه سیگنال خروجی، به ترتیب معمولاً 9 نانوثانیه و 6 نانوثانیه.
• مصونیت گذرای حالت مشترک (CMH, CML):این یک پارامتر حیاتی برای مصونیت در برابر نویز است. حداقل dV/dt (معمولاً 10 کیلوولت بر میکروثانیه) از یک اسپایک ولتاژ حالت مشترک را مشخص می‌کند که قطعه می‌تواند بدون ایجاد گلیچ در خروجی تحمل کند. CMTI بالا در محیط‌های پرنویز درایو موتور ضروری است.

3. تحلیل منحنی‌های عملکرد و ملاحظات طراحی

در حالی که منحنی‌های عملکرد صریح در متن استخراج شده ارائه نشده‌اند، دیتاشیت به چندین رابطه کلیدی اشاره می‌کند که طراحان باید در نظر بگیرند.

3.1 وابستگی به دما

اکثر مشخصات الکتریکی و سوئیچینگ در کل محدوده دمایی 40- تا 100+ درجه سانتیگراد مشخص شده‌اند. طراحان باید توجه داشته باشند که پارامترهایی مانند ولتاژ مستقیم (VF)، جریان آستانه (IFT) و تاخیرهای انتشار با دما تغییر خواهند کرد. برای طراحی قوی، محاسبات باید بر اساس حداقل و حداکثر محدودیت‌ها باشد، نه فقط مقادیر معمول.

3.2 منبع تغذیه و بای‌پس

دیتاشیت به صراحت استفاده از یک خازن بای‌پس 0.1 میکروفاراد (یا بزرگتر) بین پایه‌های VCC (پایه 6) و VEE (پایه 4) را الزامی می‌کند. این خازن باید دارای مشخصات فرکانس بالا خوبی باشد (مانند سرامیک) و تا حد امکان نزدیک به پایه‌های قطعه قرار گیرد. این امر برای دستیابی به عملکرد سوئیچینگ مشخص شده و مصونیت گذرای حالت مشترک غیرقابل مذاکره است. خازن یک مخزن بار محلی برای نیازهای جریان گذرای مرحله خروجی فراهم کرده و به منحرف کردن نویز فرکانس بالا کمک می‌کند.

4. اطلاعات مکانیکی و بسته‌بندی

4.1 پیکربندی و عملکرد پایه‌ها

قطعه در یک بسته 6 پایه Small Dual In-line Package (SDIP) قرار دارد. چیدمان پایه‌ها به شرح زیر است: پایه 1: آند LED ورودی؛ پایه 2: بدون اتصال؛ پایه 3: کاتد LED ورودی؛ پایه 4: VEE (زمین/مرجع خروجی)؛ پایه 5: Vout (سیگنال خروجی)؛ پایه 6: VCC (ولتاژ تغذیه خروجی).

4.2 ابعاد بسته و چیدمان PCB

دیتاشیت شامل نقشه‌های مکانیکی دقیق برای فرم پایه نصب سطحی \"نوع P\" است. ابعاد حیاتی شامل اندازه بدنه، فاصله پایه‌ها و ارتفاع فاصله‌گذاری است. یک چیدمان پد توصیه شده برای نصب سطحی نیز ارائه شده است. پیروی از این الگوی لند برای لحیم‌کاری قابل اطمینان و پایداری مکانیکی ضروری است. بسته برای فرآیندهای مونتاژ استاندارد فناوری نصب سطحی (SMT) طراحی شده است.

5. دستورالعمل‌های لحیم‌کاری و مونتاژ

محدوده‌های حداکثر مطلق دمای لحیم‌کاری (TSOL) را 260 درجه سانتیگراد به مدت 10 ثانیه مشخص می‌کنند. این با پروفایل‌های معمول لحیم‌کاری بی‌سرب ریفلو مطابقت دارد. طراحان و کارخانه‌های مونتاژ باید اطمینان حاصل کنند که پروفایل‌های کوره ریفلو آنها از این حد فراتر نمی‌رود تا از آسیب به بسته پلاستیکی یا دای داخلی جلوگیری شود. دستورالعمل‌های استاندارد IPC برای قطعات حساس به رطوبت (در صورت لزوم) باید رعایت شود، از جمله نگهداری و پخت مناسب قبل از استفاده.

6. اطلاعات سفارش و مارک‌گذاری قطعه

شماره قطعه از یک ساختار خاص پیروی می‌کند: ELS680X(Y)-VG. \"X\" نوع پایه را نشان می‌دهد (P برای نصب سطحی). \"Y\" گزینه نوار و قرقره را نشان می‌دهد (TA یا TB) که هر کدام حاوی 1000 واحد در قرقره هستند. پسوند \"G\" نشان‌دهنده مطابقت با استاندارد بدون هالوژن است. قطعه در قسمت بالا با کدی شامل مبدا کارخانه، شماره قطعه (S680)، کدهای سال/هفته و مارک‌گذاری اختیاری VDE علامت‌گذاری شده است.

7. پیشنهادات کاربردی و نکات طراحی

7.1 مدارهای کاربردی معمول

کاربرد اصلی به عنوان رابط بین یک میکروکنترلر یا DSP و یک IPM یا گیت IGBT/MOSFET مجزا است. ورودی توسط یک مدار محدودکننده جریان ساده از پین GPIO کنترلر درایو می‌شود. خروجی مستقیماً به گیت دستگاه قدرت متصل می‌شود، در حالی که تغذیه VCC به پتانسیل امیتر/سورس دستگاه قدرت ارجاع داده شده است. خازن بای‌پس اجباری 0.1 میکروفاراد باید لحاظ شود.

7.2 ملاحظات طراحی حیاتی

• جریان ورودی:اطمینان حاصل کنید که مدار درایو LED جریانی بیشتر از حداکثر جریان آستانه ورودی (5 میلی‌آمپر) تامین می‌کند تا حالت \"روشن\" محکمی را تضمین کند. معمولاً از یک مقاومت سری استفاده می‌شود.
• جریان خروجی:در حالی که خروجی می‌تواند جریان پیک قابل توجهی را تامین/جذب کند (درجه‌بندی اتصال کوتاه)، اطمینان حاصل کنید که جریان متوسط خروجی (IO(AVG)) از 60 میلی‌آمپر تجاوز نمی‌کند، به ویژه هنگام درایو بارهای گیت با ظرفیت خازنی بالا.
• خزش و فاصله ایزولاسیون:برای حفظ درجه‌بندی ایزولاسیون 5000 ولت RMS، چیدمان PCB باید فاصله خزش و فاصله کافی را بین مدارهای سمت ورودی (پایه‌های 1-3) و سمت خروجی (پایه‌های 4-6) فراهم کند و از استانداردهای ایمنی مربوطه (مانند IEC 60664-1, UL 60950) پیروی نماید.
• مصونیت در برابر نویز:با اطمینان از یک چیدمان با اندوکتانس پایین برای خازن بای‌پس و به حداقل رساندن مساحت حلقه مسیر جریان خروجی، از CMTI بالا استفاده کنید.

8. مقایسه و تمایز فنی

ELS680-G از طریق خروجی توتم‌پول یکپارچه خود متمایز می‌شود که طراحی را در مقایسه با کوپلرهای مبتنی بر فوتوترانزیستور یا فوتودیود که نیاز به بافر خارجی دارند، ساده می‌کند. ایزولاسیون بالای 5000 ولت RMS آن برتر از بسیاری از اپتوکوپلرهای استاندارد 3750 ولت RMS است. ترکیب سرعت سوئیچینگ نسبتاً سریع (تاخیر انتشار معمولاً ~130 نانوثانیه) و مصونیت گذرای حالت مشترک بسیار بالا (10 کیلوولت بر میکروثانیه) آن را به ویژه برای کاربردهای پرنویز درایو موتور ولتاژ بالا که هم سرعت و هم استحکام مورد نیاز است، مناسب می‌سازد.

9. پرسش‌های متداول (بر اساس پارامترهای فنی)

س: آیا می‌توانم LED ورودی را مستقیماً از یک پین میکروکنترلر 3.3 ولت درایو کنم؟

پ: بله، اما باید مقاومت سری را به درستی محاسبه کنید. با فرض VF=1.5V و IF مورد نظر=10 میلی‌آمپر و ولتاژ خروجی بالا MCU معادل 3.0V، مقاومت خواهد بود: R = (3.0V - 1.5V) / 0.01A = 150 اهم. اطمینان حاصل کنید که پین MCU می‌تواند این جریان را تامین کند.

س: هدف پایه \"بدون اتصال\" (پایه 2) چیست؟

پ: پایه 2 به صورت داخلی متصل نیست. بخشی از فرمت استاندارد بسته 6 پایه است. می‌تواند شناور رها شود یا برای پایداری مکانیکی به یک تریس PCB متصل شود، اما نباید به هیچ مدار فعالی متصل شود.

س: چگونه مصونیت گذرای حالت مشترک را در طراحی خود تضمین کنم؟

پ: حیاتی‌ترین مرحله، قرار دادن خازن بای‌پس 0.1 میکروفاراد تا حد امکان از نظر فیزیکی نزدیک به پایه‌های 6 و 4 است. از تریس‌های پهن و کوتاه استفاده کنید. ثانیاً، اندوکتانس پارازیتی در حلقه درایو گیت از خروجی فوتوکوپلر به گیت دستگاه قدرت و بازگشت به VEE را به حداقل برسانید.

10. مطالعه موردی طراحی عملی

یک اینورتر درایو موتور سه فاز با استفاده از IGBTهای 600 ولت را در نظر بگیرید. هر IGBT نیاز به یک سیگنال درایو گیت ایزوله از برد کنترل دارد. می‌توان از سه قطعه ELS680-G استفاده کرد، یکی برای هر سویچ سمت بالا و پایین (در مجموع شش عدد برای یک پل استاندارد). برد کنترل سیگنال‌های PWM را ارائه می‌دهد. هر سیگنال از طریق یک مقاومت محدودکننده جریان وارد LED فوتوکوپلر می‌شود. در سمت خروجی، VCC هر فوتوکوپلر توسط یک مبدل DC-DC ایزوله محلی که به امیتر IGBT مربوطه ارجاع داده شده است، تامین می‌شود. پین Vout مستقیماً به گیت IGBT متصل می‌شود، احتمالاً با یک مقاومت سری کوچک برای میرا کردن ringing. خازن 0.1 میکروفاراد مستقیماً در دو سر پایه‌های 6 و 4 هر کوپلر قرار می‌گیرد. این طراحی ایزولاسیون قوی فراهم می‌کند، نویز dV/dt بالا از IGBTهای سوئیچینگ را مدیریت می‌کند و تعداد قطعات را در مقایسه با راه‌حل‌های مجزا ساده می‌کند.

11. معرفی اصل عملکرد

ELS680-G بر اساس اصل ایزولاسیون نوری عمل می‌کند. یک سیگنال الکتریکی ورودی (جریان از طریق LED مادون قرمز) باعث می‌شود LED نور ساطع کند. این نور از یک مانع ایزولاسیون دی‌الکتریک داخلی عبور می‌کند (ایزولاسیون ولتاژ بالا را فراهم می‌کند) و به یک فوتودیود درون یک مدار مجتمع یکپارچه در سمت خروجی برخورد می‌کند. این IC نه تنها شامل فوتودیود، بلکه تقویت، شکل‌دهی و یک مرحله خروجی توتم‌پول نیز می‌باشد. IC جریان فوتو را به یک سیگنال خروجی دیجیتال تمیز و بافر شده تبدیل می‌کند که حالت ورودی را منعکس می‌کند. مسیر نوری تضمین می‌کند که هیچ اتصال الکتریکی بین ورودی و خروجی وجود ندارد، فقط انتقال انرژی نور صورت می‌گیرد.

12. روندهای فناوری و زمینه

فوتوکوپلرهای درایو گیت مانند ELS680-G بخشی از روند جاری در الکترونیک قدرت به سمت یکپارچگی بیشتر، قابلیت اطمینان بیشتر و مصونیت در برابر نویز هستند. با افزایش فرکانس‌های سوئیچینگ در درایوهای موتور و اینورترها برای کسب بازدهی بیشتر، تاخیرهای انتشار سریع‌تر و CMTI بالاتر حیاتی‌تر می‌شوند. همچنین یک محرک قوی صنعتی به سمت محدوده‌های دمایی وسیع‌تر و مطابقت با مقررات زیست‌محیطی (بدون هالوژن، RoHS) وجود دارد. فناوری‌های رقیب شامل ایزولاتورهای مغناطیسی (ایزولاتورهای مبتنی بر ترانسفورماتور) و ایزولاتورهای خازنی هستند که می‌توانند نرخ داده بالاتر و مبادلات عملکردی متفاوتی ارائه دهند. با این حال، ایزولاسیون نوری همچنان یک فناوری غالب، به خوبی درک شده و بسیار قابل اطمینان برای کاربردهای رابط قدرت با سرعت متوسط و مصونیت بالا در برابر نویز باقی می‌ماند، به ویژه در جایی که ولتاژهای ایزولاسیون بسیار بالا مورد نیاز است.