Fiche technique - Photocoupleur logique haute vitesse 10 Mbit/s série ELM6XX en boîtier SOP 5 broches

1. Vue d'ensemble du produit

La série ELM6XX représente une famille de photocoupleurs logiques haute performance et haute vitesse, conçus pour des applications d'isolation numérique exigeantes. Ces dispositifs intègrent une diode électroluminescente infrarouge couplée optiquement à un photodétecteur intégré haute vitesse avec un étage de sortie à porte logique, offrant une capacité de sortie à validation (strobe). Conditionnés dans un boîtier SOP (Small Outline Package) compact à 5 broches, ils respectent un encombrement standard de l'industrie, facilitant ainsi l'intégration dans les conceptions existantes et les cartes de circuits imprimés.

La fonction principale de ce composant est de fournir une isolation galvanique entre deux circuits électriques tout en transmettant des signaux logiques numériques. Cette isolation est cruciale pour éliminer les boucles de masse, protéger les circuits logiques sensibles des surtensions et du bruit présents dans d'autres parties d'un système, et assurer la sécurité dans les applications avec des tensions de mode commun élevées.

1.1 Avantages clés et marché cible

La série ELM6XX est conçue avec plusieurs avantages clés qui la rendent adaptée aux systèmes électroniques modernes. Sa capacité haute vitesse de 10 Mbit/s permet son utilisation dans les interfaces de communication de données rapides. Les dispositifs garantissent des performances sur une large plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C, assurant une fiabilité dans les environnements industriels et automobiles. Une tension d'isolation élevée de 3750 V_effoffre une protection robuste. De plus, la série est conforme aux principales normes environnementales et de sécurité, notamment sans halogène, sans plomb, conforme RoHS, et approuvée par UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO et FIMKO.

Les marchés et applications cibles principaux incluent :

• Automatisation industrielle :Pour isoler les entrées/sorties d'API, les entraînements de moteurs et les interfaces de capteurs de la logique de contrôle.
• Télécommunications et transmission de données :Dans les récepteurs de ligne et les systèmes de multiplexage de données pour éliminer le bruit.
• Électronique de puissance :En tant que remplacement fiable des transformateurs d'impulsions dans les boucles de rétroaction des alimentations à découpage.
• Périphériques informatiques :Pour l'interface entre des systèmes avec des potentiels de masse différents.
• Interface numérique générale :Pour la conversion de niveau et l'isolation entre les familles logiques telles que LSTTL, TTL et CMOS 5V.

2. Analyse approfondie des paramètres techniques

Cette section fournit une interprétation détaillée et objective des principaux paramètres électriques et de performance spécifiés dans la fiche technique. Comprendre ces paramètres est essentiel pour une conception de circuit appropriée et pour garantir un fonctionnement fiable.

2.1 Valeurs maximales absolues

Les valeurs maximales absolues définissent les limites de contrainte au-delà desquelles des dommages permanents au dispositif peuvent survenir. Ce ne sont pas des conditions de fonctionnement.

• Courant direct d'entrée (I_F) :50 mA. Dépasser ce courant détruira probablement la diode électroluminescente infrarouge (DEL IR) interne.
• Tension inverse d'entrée (V_R) :5 V. La DEL IR est sensible à la polarisation inverse ; cette limite doit être strictement respectée.
• Tension d'alimentation (V_CC) et tension de sortie (V_O) :7,0 V. Ceci définit la tension maximale pouvant être appliquée à l'alimentation et à la broche de sortie du côté sortie.
• Tension d'isolation (V_ISO) :3750 V_effpendant 1 minute. Il s'agit d'un paramètre de sécurité clé, testé avec les broches d'entrée (1,3) court-circuitées ensemble et les broches de sortie (4,5,6) court-circuitées ensemble. Il certifie la rigidité diélectrique de la barrière d'isolation interne.
• Température de fonctionnement et de stockage :Le dispositif est conçu pour fonctionner de -40°C à +85°C et pour être stocké de -55°C à +125°C.
• Température de soudure :260°C pendant 10 secondes. Ceci est important pour les processus d'assemblage de cartes utilisant la soudure par refusion.

2.2 Caractéristiques électriques

Ces paramètres définissent les performances du dispositif dans des conditions de fonctionnement normales (T_A= -40°C à 85°C sauf indication contraire).

2.2.1 Caractéristiques d'entrée (côté DEL IR)

• Tension directe (V_F) :Typiquement 1,45 V, avec un maximum de 1,8 V à I_F=10 mA. Ceci est utilisé pour calculer la résistance de limitation de courant requise du côté entrée.
• Coefficient de température de V_F:Approximativement -1,9 mV/°C. La tension directe diminue légèrement lorsque la température augmente.
• Capacité d'entrée (C_IN) :Typiquement 70 pF. Ceci affecte la réponse en haute fréquence et les exigences de pilotage du circuit d'entrée.

2.2.2 Caractéristiques de sortie et de transfert

• Courants d'alimentation : I_CCH(sortie haute) est typiquement de 6,0 mA, et I_CCL(sortie basse) est typiquement de 7,5 mA avec V_CC=5,5 V. Ces valeurs déterminent la consommation électrique du côté sortie.
• Courant de sortie à l'état haut (I_OH) :La sortie peut fournir un courant très faible (typ. 2,1 µA) à l'état haut. Ce dispositif est conçu pour piloter des entrées CMOS à haute impédance, et non pour fournir un courant significatif.
• Tension de sortie à l'état bas (V_OL) :Typiquement 0,4 V, maximum 0,6 V lors de l'absorption de 13 mA. Ceci définit un niveau logique '0' solide.
• Courant de seuil d'entrée (I_FT) :Typiquement 2,4 mA, maximum 5 mA. C'est le courant d'entrée minimum requis pour garantir que la sortie commute vers un état bas valide (V_OL≤ 0,6 V) dans les conditions de charge spécifiées. C'est un paramètre critique pour assurer l'immunité au bruit.

2.3 Caractéristiques de commutation

Ces paramètres définissent les performances dynamiques du photocoupleur, mesurées dans des conditions standard (V_CC=5 V, I_F=7,5 mA, C_L=15 pF, R_L=350 Ω).

• Délais de propagation (t_PHL, t_PLH) :Le temps entre le point à 50 % de la transition du courant d'entrée et le point correspondant sur la transition de la tension de sortie. t_PLH(vers l'état haut) est typiquement de 50 ns, et t_PHL(vers l'état bas) est typiquement de 41 ns, les deux ayant un maximum de 100 ns. Ces délais limitent le débit de données maximal.
• Distorsion de largeur d'impulsion (|t_PHL– t_PLH|) :Typiquement 9 ns, max 35 ns. Cette asymétrie dans les délais de montée/descente peut réduire la largeur des impulsions de sortie à haute fréquence.
• Temps de montée/descente (t_r, t_f) :Le temps de montée de la sortie est typiquement de 40 ns, et le temps de descente est typiquement de 10 ns. Des fronts plus rapides sont généralement meilleurs pour l'intégrité du signal.
• Immunité aux transitoires de mode commun (CMH, CML) :C'est un paramètre critique pour les dispositifs d'isolation. Il mesure l'immunité de l'état de sortie aux transitoires de tension rapides à travers la barrière d'isolation. L'ELM601, par exemple, peut tolérer un dV/dt de 5 000 V/µs avec un signal de mode commun de 50 V crête à crête sans changer d'état par erreur. L'ELM611 offre une immunité encore plus élevée (20 000 V/µs à 1000 V_{crête à crête}).

3. Informations mécaniques et sur le boîtier

Le dispositif est logé dans un boîtier SOP (Small Outline Package) à 5 broches. La configuration des broches est la suivante :

• Broche 1 :Anode de la DEL IR d'entrée.
• Broche 2 :Non connectée (NC).
• Broche 3 :Cathode de la DEL IR d'entrée.
• Broche 4 :Masse (GND) pour le côté sortie.
• Broche 5 :Tension de sortie (V_OUT).
• Broche 6 :Tension d'alimentation (V_CC) pour le côté sortie.

La fiche technique inclut un dessin détaillé des dimensions du boîtier (en millimètres) qui doit être consulté pour la conception de l'empreinte sur la carte de circuit imprimé. Un schéma de pastilles recommandé pour l'assemblage en montage en surface est également fourni pour assurer une soudure fiable et une stabilité mécanique.

4. Recommandations de soudure et d'assemblage

Une manipulation et un assemblage appropriés sont essentiels pour la fiabilité. Le dispositif est conçu pour une température de soudure maximale de 260°C pendant 10 secondes, ce qui correspond aux profils standard de soudure par refusion sans plomb (par exemple, IPC/JEDEC J-STD-020).

Considérations clés :

• Utilisez le schéma de pastilles recommandé pour éviter le soulèvement en tombe (tombstoning) ou le mauvais alignement pendant la refusion.
• Respectez le profil de température spécifié pour éviter les dommages thermiques à la puce interne et au boîtier plastique.
• Suivez les précautions standard contre les décharges électrostatiques (ESD) pendant la manipulation, car le dispositif contient des composants semi-conducteurs sensibles.
• Stockez les dispositifs dans un environnement sec et contrôlé conformément à la plage de température de stockage (-55°C à +125°C).

5. Informations sur l'emballage et la commande

La série ELM6XX est disponible en différentes options d'emballage pour répondre aux besoins de production :

• Option standard (Aucune) :Les dispositifs sont fournis dans des tubes antistatiques, avec 100 unités par tube.
• Option bande et bobine (TA/TB) :Les dispositifs sont fournis sur bande et bobine pour l'assemblage automatisé par pick-and-place, avec 3000 unités par bobine. Les désignations 'TA' et 'TB' font probablement référence à différentes tailles de bobine ou spécifications de bande.

Système de numérotation des pièces :ELM6XX(Z)-V

• XX :Numéro de pièce spécifique (00, 01 ou 11). Ceux-ci différencient les variantes, probablement basées sur les niveaux d'immunité aux transitoires de mode commun (par exemple, ELM600, ELM601, ELM611).
• Z :Option bande et bobine (TA, TB, ou aucune pour tube).
• V :Marquage d'approbation VDE optionnel.

6. Suggestions d'application et considérations de conception

6.1 Circuits d'application typiques

L'application principale est l'isolation de signaux numériques. Un circuit typique implique une résistance de limitation de courant en série avec la DEL IR d'entrée, connectée à un signal logique. La broche de sortie (V_OUT) est connectée à V_CCvia une résistance de rappel (R_L) et pilote l'entrée de la porte logique réceptrice. La valeur de R_L(par exemple, 350 Ω) et la capacité de charge affectent la vitesse de commutation.

6.2 Notes de conception critiques

• Courant d'entrée :Assurez-vous que le courant d'entrée (I_F) atteint ou dépasse le courant de seuil d'entrée maximum (I_FT) pour garantir une sortie basse, mais ne dépasse pas la valeur maximale absolue. Un courant de fonctionnement typique I_Fde 7,5 mA à 10 mA est courant.
• Immunité au bruit :Pour les environnements bruyants, choisissez une variante (ELM601 ou ELM611) avec une immunité aux transitoires de mode commun plus élevée, adaptée aux niveaux de bruit attendus dans l'application.
• Découplage de l'alimentation :Utilisez des condensateurs de découplage (par exemple, 0,1 µF) à proximité des broches V_CCet GND du côté sortie pour assurer un fonctionnement stable et minimiser le bruit de commutation.
• Table de vérité :Le dispositif fonctionne comme un tampon non inverseur. Un niveau logique Haut (H) sur l'entrée (DEL IR allumée) produit un niveau logique Bas (L) sur la sortie. Un niveau logique Bas (L) sur l'entrée (DEL IR éteinte) produit un niveau logique Haut (H) sur la sortie (grâce à la résistance de rappel).

7. Comparaison et différenciation techniques

Comparée aux photocoupleurs standard de la série 4N25/4N35, la série ELM6XX offre une vitesse nettement supérieure (10 Mbit/s contre ~100 kbit/s) et une meilleure réjection du mode commun. Sa sortie à porte logique fournit des formes d'onde numériques propres sans nécessiter les circuits déclencheurs de Schmitt supplémentaires souvent requis avec les sorties à phototransistor. Le boîtier SOP à 5 broches est plus compact que les anciens boîtiers DIP. La différenciation clé au sein de la série ELM6XX elle-même est l'immunité aux transitoires de mode commun graduée, permettant aux concepteurs de sélectionner le niveau de coût/performance approprié pour leur environnement de bruit spécifique.

8. Questions fréquemment posées (basées sur les paramètres techniques)

Q1 : Quel est le débit de données maximal que je peux atteindre avec ce photocoupleur ?

R : Les délais de propagation typiques permettent des débits de données allant jusqu'à 10 Mbit/s comme spécifié. Cependant, le débit maximal fiable réel dans un système sera inférieur en raison de la distorsion de largeur d'impulsion et des temps d'établissement/maintenance de la logique réceptrice. Une conception prudente pourrait viser 5 à 8 Mbit/s.

Q2 : Comment choisir entre ELM600, ELM601 et ELM611 ?

R : Le choix est principalement basé sur l'immunité aux transitoires de mode commun (CMTI) requise. Utilisez l'ELM600 pour une isolation de base avec peu de bruit. L'ELM601 (5 000 V/µs) est adapté aux applications d'entraînement de moteurs industriels et d'alimentations. L'ELM611 (20 000 V/µs) est destiné aux environnements très bruyants comme les onduleurs de forte puissance.

Q3 : Puis-je utiliser ce dispositif pour piloter directement une LED ou un relais ?

R : Non. La sortie est conçue pour piloter des entrées logiques CMOS ou TTL à haute impédance. Sa capacité de fourniture/absorption de courant est limitée (I_OHest très faible, I_OLest spécifié à 13 mA). Pour piloter des charges à courant plus élevé, un étage tampon ou transistor supplémentaire est requis.

Q4 : Quelle valeur de résistance de rappel (R_L) dois-je utiliser ?

R : La fiche technique spécifie des conditions de test avec R_L=350 Ω. C'est un bon point de départ. Une résistance plus petite fournira des temps de montée plus rapides mais augmentera la consommation électrique et le courant de sortie. Une résistance plus grande économisera de l'énergie mais ralentira le temps de montée. La valeur doit être choisie en tenant compte de la capacité de charge et de la vitesse requise.

9. Étude de cas d'application pratique

Scénario : Isolation d'une UART de microcontrôleur d'un émetteur-récepteur RS-485.

Dans un nœud de capteur industriel, la ligne TX UART d'un microcontrôleur 3,3 V doit être isolée d'un émetteur-récepteur RS-485 5 V qui se connecte à un bus longue distance bruyant. Un ELM601 peut être utilisé à cette fin. La broche du microcontrôleur pilote la DEL IR via une résistance de limitation de courant (par exemple, (3,3 V - 1,45 V)/7,5 mA ≈ 247 Ω). Le côté sortie est alimenté par le rail 5 V de l'émetteur-récepteur RS-485. La broche V_OUT, remontée à 5 V avec une résistance de 350 Ω, se connecte directement à la broche Driver Input (DI) du circuit intégré RS-485. Cette configuration rompt la connexion de masse entre le microcontrôleur sensible et le bus bruyant, protège le microcontrôleur des transitoires induits par le bus et gère la conversion de niveau logique de 3,3 V à 5 V. La CMTI élevée de l'ELM601 garantit que le signal numérique reste intact malgré le bruit sur le bus.

10. Principe de fonctionnement

Le dispositif fonctionne sur le principe de la conversion opto-électronique. Un courant électrique appliqué au côté entrée (broches 1 et 3) fait émettre de la lumière par la diode électroluminescente infrarouge (DEL IR). Cette lumière traverse une barrière d'isolation interne transparente (typiquement un espace en plastique moulé). Du côté sortie, un circuit intégré photodétecteur en silicium monolithique reçoit cette lumière. Ce circuit intégré contient une photodiode, un amplificateur à gain élevé et un étage de sortie à porte logique (probablement une structure totem-pole ou similaire). L'amplificateur convertit le photocourant en une tension, que l'étage logique tamponne et sort comme un signal numérique propre. La fonctionnalité de 'sortie à validation' mentionnée fait probablement référence à un verrou interne ou à une fonction d'activation qui peut maintenir l'état de sortie, mais les détails spécifiques nécessitent le schéma interne complet.

11. Tendances technologiques

La tendance en matière d'isolation numérique va vers des vitesses plus élevées, une consommation d'énergie plus faible, des boîtiers plus petits et une intégration plus poussée. Bien que les photocoupleurs comme la série ELM6XX restent excellents pour de nombreuses applications, des technologies alternatives basées sur le couplage capacitif (utilisant des barrières en SiO₂) ou magnétorésistif géant (GMR) émergent. Celles-ci peuvent offrir des débits de données encore plus élevés (>>100 Mbit/s), une meilleure symétrie temporelle (distorsion de largeur d'impulsion plus faible) et une durée de vie plus longue car elles n'ont pas de DEL à dégrader. Cependant, les photocoupleurs haute performance continuent d'être largement utilisés en raison de leur fiabilité éprouvée, de leur CMTI élevée, de leur simplicité et de leur rapport coût-efficacité pour des vitesses allant jusqu'à des dizaines de mégabits par seconde. Le développement de dispositifs comme la série ELM6XX, avec une CMTI graduée et des matériaux sans halogène, reflète l'évolution continue pour répondre aux exigences environnementales et de performance plus strictes de l'électronique moderne.