6-Pin SDIP Intelligent Power and Gate Drive Interface Photocoupler ELS680-G Series Datasheet - High Isolation 5000Vrms - English Technical Document

1. उत्पाद अवलोकन

ELS680-G श्रृंखला उच्च-प्रदर्शन, इंटेलिजेंट पावर और गेट ड्राइव इंटरफ़ेस फोटोकपलर के एक परिवार का प्रतिनिधित्व करती है। ये उपकरण मोटर ड्राइव और औद्योगिक इन्वर्टर जैसे अनुप्रयोगों में पाए जाने वाले निम्न-वोल्टेज नियंत्रण सर्किट और उच्च-वोल्टेज पावर स्टेज के बीच मजबूत विद्युत अलगाव और विश्वसनीय सिग्नल ट्रांसमिशन प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। मुख्य कार्य एक लॉजिक-लेवल इनपुट सिग्नल को एक संबंधित, अलग आउटपुट सिग्नल में अनुवादित करना है जो सीधे IGBT या MOSFET के गेट को ड्राइव करने में सक्षम है, या एक इंटेलिजेंट पावर मॉड्यूल (IPM) के साथ इंटरफेस करने में सक्षम है।

प्राथमिक अनुप्रयोग अलग-अलग ऑप्टोकपलर और ड्राइवर सर्किट को प्रतिस्थापित करना है, जिससे उच्च-शक्ति स्विचिंग वातावरण में डिज़ाइन को सरल बनाना, विश्वसनीयता में सुधार करना और शोर प्रतिरक्षा को बढ़ाना है। एकीकृत टोटेम-पोल आउटपुट स्टेज एक प्रमुख विशेषता है, जो बाहरी पुल-अप रोकनेवाला की आवश्यकता को समाप्त करती है और सीधे गेट ड्राइव के लिए पर्याप्त करंट सोर्सिंग और सिंकिंग क्षमता प्रदान करती है।

1.1 मुख्य लाभ और लक्ष्य बाजार

The ELS680-G series offers several distinct advantages for power electronics design. First is the high isolation voltage of 5000 Vrms, which provides a critical safety margin and meets stringent requirements for industrial equipment. Second, the device is compliant with halogen-free standards (Br < 900 ppm, Cl < 900 ppm, Br+Cl < 1500 ppm), making it suitable for environmentally conscious applications. It is also Pb-free and RoHS compliant.

इस घटक के लिए लक्षित बाजार मुख्य रूप से औद्योगिक स्वचालन और पावर रूपांतरण हैं। विशिष्ट अनुप्रयोगों में AC और ब्रशलेस DC मोटर ड्राइव, औद्योगिक इन्वर्टर, अबाधित विद्युत आपूर्ति (UPS), और सौर इन्वर्टर शामिल हैं। कोई भी प्रणाली जिसे उच्च-वोल्टेज पावर स्विच के लिए विश्वसनीय, पृथक नियंत्रण संकेतों की आवश्यकता होती है, एक संभावित अनुप्रयोग क्षेत्र है।

2. तकनीकी पैरामीटर गहन विश्लेषण और वस्तुनिष्ठ व्याख्या

यह खंड डेटाशीट में निर्दिष्ट विद्युत और प्रदर्शन विशेषताओं का विस्तृत विश्लेषण प्रदान करता है। विश्वसनीय सर्किट डिजाइन के लिए इन पैरामीटरों को समझना महत्वपूर्ण है।

2.1 Absolute Maximum Ratings

Absolute Maximum Ratings उन तनाव सीमाओं को परिभाषित करते हैं जिनके परे डिवाइस को स्थायी क्षति हो सकती है। इन सीमाओं पर या उनके निकट लगातार संचालन करने की अनुशंसा नहीं की जाती है। प्रमुख रेटिंग्स में शामिल हैं: 25 mA का इनपुट फॉरवर्ड करंट (IF), 60 mA का आउटपुट औसत करंट (IO(AVG)), और 30 V का सप्लाई वोल्टेज (VCC)। डिवाइस की कुल पावर डिसिपेशन (PTOT) 350 mW तक सीमित है। विशिष्ट पिन-शॉर्टिंग स्थितियों के तहत परीक्षण किए जाने पर, आइसोलेशन वोल्टेज (VISO) एक मिनट के लिए 5000 Vrms पर रेटेड है। ऑपरेटिंग तापमान सीमा -40°C से +100°C तक है।

2.2 Electrical Characteristics

ये पैरामीटर निर्दिष्ट तापमान सीमा में सामान्य संचालन स्थितियों के तहत डिवाइस के प्रदर्शन को परिभाषित करते हैं।

2.2.1 Input Characteristics

इनपुट एक इन्फ्रारेड Light Emitting Diode (LED) है। 10 mA की फॉरवर्ड करंट (IF) पर Typical Forward Voltage (VF) 1.5V है, जिसका अधिकतम मान 1.8V है। Input Threshold Current (IFT) एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, जो एक वैध लॉजिक-लो आउटपुट की गारंटी के लिए आवश्यक न्यूनतम LED करंट को निर्दिष्ट करता है। डेटाशीट VCC=4.5V पर अधिकतम IFT 5 mA (typical 2.5 mA) निर्दिष्ट करती है। डिजाइनरों को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि विश्वसनीय संचालन के लिए ड्राइविंग सर्किट कम से कम यह करंट प्रदान कर सके।

2.2.2 आउटपुट और ट्रांसफर विशेषताएँ

आउटपुट एक टोटेम-पोल कॉन्फ़िगरेशन वाला हाई-स्पीड इंटीग्रेटेड फोटो-डिटेक्टर है। प्रमुख पैरामीटर में शामिल हैं: हाई-लेवल आउटपुट वोल्टेज (VOH), जो आमतौर पर VCC के बहुत करीब होता है (VCC - 0.5V न्यूनतम), और लो-लेवल आउटपुट वोल्टेज (VOL), जो आमतौर पर VEE के बहुत करीब होता है (VEE + 0.5V अधिकतम)। सप्लाई करंट्स (ICCH, ICCL) दोनों की अधिकतम सीमा 3.2 mA निर्दिष्ट है। शॉर्ट सर्किट आउटपुट करंट्स (IOSL, IOSH) आउटपुट स्टेज की करंट लिमिटिंग क्षमता को दर्शाते हैं, जिसका रेटिंग न्यूनतम/अधिकतम ±60 mA है।

2.3 स्विचिंग विशेषताएँ

ये पैरामीटर फोटोकपलर के समय प्रदर्शन को परिभाषित करते हैं, जो उच्च-आवृत्ति स्विचिंग अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।

• Propagation Delay (tPHL, tPLH): इनपुट LED धारा संक्रमण से संबंधित आउटपुट संक्रमण तक का समय। विशिष्ट मान 130 ns (tPHL) और 140 ns (tPLH) हैं, जिनके अधिकतम मान 350 ns हैं।
• पल्स चौड़ाई विरूपण (PWD): tPHL और tPLH के बीच का निरपेक्ष अंतर। सटीक समयन अनुप्रयोगों में सिग्नल अखंडता बनाए रखने के लिए कम PWD (अधिकतम 250 ns) महत्वपूर्ण है।
• Rise/Fall Time (tr, tf): आउटपुट सिग्नल एज की गति, आमतौर पर क्रमशः 9 ns और 6 ns।
• Common Mode Transient Immunity (CMH, CML): यह शोर प्रतिरक्षा के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। यह सामान्य-मोड वोल्टेज स्पाइक के न्यूनतम dV/dt (10 kV/µs विशिष्ट) को निर्दिष्ट करता है जिसे डिवाइस आउटपुट ग्लिच पैदा किए बिना सहन कर सकता है। शोरभरे मोटर ड्राइव वातावरण में उच्च CMTI आवश्यक है।

3. प्रदर्शन वक्र विश्लेषण और डिजाइन विचार

हालांकि निकाले गए पाठ में स्पष्ट प्रदर्शन वक्र प्रदान नहीं किए गए हैं, डेटाशीट कई महत्वपूर्ण संबंधों का संकेत देती है जिन पर डिजाइनरों को विचार करना चाहिए।

3.1 तापमान निर्भरता

अधिकांश विद्युत और स्विचिंग विशेषताएँ पूर्ण -40°C से +100°C तापमान सीमा पर निर्दिष्ट की गई हैं। डिज़ाइनरों को ध्यान देना चाहिए कि फॉरवर्ड वोल्टेज (VF), थ्रेशोल्ड करंट (IFT), और प्रसार विलंब जैसे पैरामीटर तापमान के साथ बदलेंगे। मजबूत डिज़ाइन के लिए, गणना केवल विशिष्ट मूल्यों पर नहीं, बल्कि न्यूनतम और अधिकतम सीमाओं पर आधारित होनी चाहिए।

3.2 पावर सप्लाई और बायपासिंग

डेटाशीट में स्पष्ट रूप से VCC (पिन 6) और VEE (पिन 4) पिनों के बीच एक 0.1 µF (या अधिक) बायपास कैपेसिटर के उपयोग का अनिवार्य निर्देश दिया गया है। इस कैपेसिटर में अच्छी उच्च-आवृत्ति विशेषताएं (जैसे, सिरेमिक) होनी चाहिए और इसे डिवाइस पिनों के यथासंभव निकट रखा जाना चाहिए। निर्दिष्ट स्विचिंग प्रदर्शन और कॉमन-मोड ट्रांजिएंट इम्यूनिटी प्राप्त करने के लिए यह अनिवार्य है। यह कैपेसिटर आउटपुट स्टेज की क्षणिक धारा मांगों के लिए एक स्थानीय चार्ज भंडार प्रदान करता है और उच्च-आवृत्ति शोर को शंट करने में सहायता करता है।

4. मैकेनिकल और पैकेज सूचना

4.1 पिन कॉन्फ़िगरेशन और फ़ंक्शन

डिवाइस एक 6-पिन स्मॉल ड्यूल इन-लाइन पैकेज (SDIP) में रखा गया है। पिनआउट इस प्रकार है: पिन 1: इनपुट LED का एनोड; पिन 2: नो कनेक्शन; पिन 3: इनपुट LED का कैथोड; पिन 4: VEE (आउटपुट ग्राउंड/रेफरेंस); पिन 5: Vout (आउटपुट सिग्नल); पिन 6: VCC (आउटपुट सप्लाई वोल्टेज)।

4.2 पैकेज डायमेंशन और PCB लेआउट

डेटाशीट में "P टाइप" सरफेस माउंट लीड फॉर्म के लिए विस्तृत यांत्रिक चित्र शामिल हैं। महत्वपूर्ण आयामों में बॉडी आकार, लीड स्पेसिंग और स्टैंडऑफ़ ऊंचाई शामिल है। सरफेस माउंटिंग के लिए एक अनुशंसित पैड लेआउट भी प्रदान किया गया है। विश्वसनीय सोल्डरिंग और यांत्रिक स्थिरता के लिए इस लैंड पैटर्न का पालन करना आवश्यक है। यह पैकेज मानक सरफेस-माउंट टेक्नोलॉजी (एसएमटी) असेंबली प्रक्रियाओं के लिए डिज़ाइन किया गया है।

5. सोल्डरिंग और असेंबली दिशानिर्देश

पूर्ण अधिकतम रेटिंग 10 सेकंड के लिए 260°C के सोल्डरिंग तापमान (TSOL) को निर्दिष्ट करती है। यह सामान्य लीड-मुक्त रीफ्लो सोल्डरिंग प्रोफाइल के अनुरूप है। प्लास्टिक पैकेज या आंतरिक डाई को क्षति से बचाने के लिए, डिजाइनरों और असेंबली हाउसों को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि उनके रीफ्लो ओवन प्रोफाइल इस सीमा से अधिक न हों। नमी-संवेदनशील उपकरणों के लिए मानक IPC दिशानिर्देशों (यदि लागू हो) का पालन किया जाना चाहिए, जिसमें उपयोग से पहले उचित भंडारण और बेकिंग शामिल है।

6. ऑर्डरिंग जानकारी और डिवाइस मार्किंग

पार्ट नंबर एक विशिष्ट संरचना का अनुसरण करता है: ELS680X(Y)-VG। "X" लीड प्रकार को दर्शाता है (सतह माउंट के लिए P)। "Y" टेप और रील विकल्प को दर्शाता है (TA या TB), दोनों में प्रति रील 1000 यूनिट होती हैं। "G" प्रत्यय हैलोजन-मुक्त अनुपालन को इंगित करता है। डिवाइस को शीर्ष पर एक कोड के साथ चिह्नित किया गया है जिसमें फैक्ट्री मूल, पार्ट नंबर (S680), वर्ष/सप्ताह कोड और वैकल्पिक VDE मार्किंग शामिल है।

7. एप्लिकेशन सुझाव और डिज़ाइन नोट्स

7.1 विशिष्ट एप्लिकेशन सर्किट

प्राथमिक अनुप्रयोग माइक्रोकंट्रोलर या DSP और एक IPM या अलग IGBT/MOSFET गेट के बीच इंटरफेस के रूप में है। इनपुट को नियंत्रक के GPIO पिन से एक साधारण करंट-लिमिटिंग सर्किट द्वारा संचालित किया जाता है। आउटपुट सीधे पावर डिवाइस के गेट से जुड़ता है, जहां VCC सप्लाई पावर डिवाइस के एमिटर/सोर्स पोटेंशियल के संदर्भ में होती है। अनिवार्य 0.1 µF बाईपास कैपेसिटर अवश्य शामिल किया जाना चाहिए।

7.2 Critical Design Considerations

• Input Current: यह सुनिश्चित करें कि एलईडी ड्राइविंग सर्किट एक ठोस 'ऑन' स्थिति की गारंटी के लिए अधिकतम इनपुट थ्रेशोल्ड करंट (5 एमए) से अधिक करंट प्रदान करता है। आमतौर पर एक श्रृंखला रोकनेवाला का उपयोग किया जाता है।
• आउटपुट करंट: हालांकि आउटपुट महत्वपूर्ण पीक करंट (शॉर्ट-सर्किट रेटेड) सोर्स/सिंक कर सकता है, यह सुनिश्चित करें कि औसत आउटपुट करंट (IO(AVG)) 60 एमए से अधिक न हो, खासकर जब उच्च कैपेसिटिव गेट लोड चला रहे हों।
• इन्सुलेशन क्रीपेज और क्लीयरेंस: 5000 Vrms इन्सुलेशन रेटिंग बनाए रखने के लिए, PCB लेआउट को इनपुट-साइड (पिन 1-3) और आउटपुट-साइड (पिन 4-6) सर्किट के बीच प्रासंगिक सुरक्षा मानकों (जैसे, IEC 60664-1, UL 60950) का पालन करते हुए पर्याप्त क्रीपेज और क्लीयरेंस दूरी प्रदान करनी चाहिए।
• नॉइज़ इम्यूनिटी: उच्च CMTI का उपयोग करने के लिए बाईपास कैपेसिटर के लिए कम-इंडक्शन लेआउट सुनिश्चित करें और आउटपुट करंट पथ के लूप एरिया को न्यूनतम करें।

8. तकनीकी तुलना और विभेदन

ELS680-G स्वयं को इसके एकीकृत टोटेम-पोल आउटपुट के माध्यम से अलग करता है, जो फोटोट्रांजिस्टर या फोटोडायोड-आधारित कपलर्स की तुलना में डिज़ाइन को सरल बनाता है जिन्हें बाहरी बफ़र की आवश्यकता होती है। इसका उच्च 5000 Vrms इंसुलेशन कई मानक 3750 Vrms ऑप्टोकपलर से बेहतर है। अपेक्षाकृत तेज़ स्विचिंग गति (विशिष्ट ~130 ns प्रोपेगेशन डिले) और बहुत उच्च कॉमन-मोड ट्रांजिएंट इम्यूनिटी (10 kV/µs) का संयोजन इसे विशेष रूप से शोरग्रस्त, उच्च-वोल्टेज मोटर ड्राइव अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है जहाँ गति और मजबूती दोनों की आवश्यकता होती है।

9. अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (तकनीकी मापदंडों के आधार पर)

प्र: क्या मैं इनपुट LED को सीधे 3.3V माइक्रोकंट्रोलर पिन से चला सकता हूँ?
उ: हाँ, लेकिन आपको श्रृंखला रोकनेवाला (resistor) की सही गणना करनी होगी। यह मानते हुए कि VF=1.5V, और वांछित IF=10 mA, तथा 3.3V MCU का आउटपुट हाई वोल्टेज ~3.0V है, रोकनेवाला होगा R = (3.0V - 1.5V) / 0.01A = 150 Ohms। सुनिश्चित करें कि MCU पिन इस धारा (current) को सोर्स कर सकता है।

Q: "नो कनेक्शन" पिन (पिन 2) का उद्देश्य क्या है?
A> Pin 2 is internally unconnected. It is part of the standard 6-pin package footprint. It can be left floating or connected to a PCB trace for mechanical stability, but it should not be connected to any active circuit.

Q: मैं अपने डिज़ाइन में कॉमन-मोड ट्रांजिएंट इम्यूनिटी कैसे सुनिश्चित करूं?
A> The most critical step is placing the 0.1 µF bypass capacitor as close as physically possible to pins 6 and 4. Use wide, short traces. Secondly, minimize parasitic inductance in the gate drive loop from the photocoupler output to the power device gate and back to VEE.

10. प्रैक्टिकल डिज़ाइन केस स्टडी

600V IGBTs का उपयोग करने वाले तीन-फेज मोटर ड्राइव इन्वर्टर पर विचार करें। प्रत्येक IGBT को कंट्रोल बोर्ड से अलग किए गए गेट ड्राइव सिग्नल की आवश्यकता होती है। तीन ELS680-G डिवाइस का उपयोग किया जा सकता है, प्रत्येक हाई-साइड और लो-साइड स्विच के लिए एक (एक मानक ब्रिज के लिए कुल छह)। कंट्रोल बोर्ड PWM सिग्नल प्रदान करता है। प्रत्येक सिग्नल करंट-लिमिटिंग रेसिस्टर से होकर फोटोकपलर के LED में जाता है। आउटपुट साइड पर, प्रत्येक फोटोकपलर का VCC एक स्थानीय, अलग DC-DC कन्वर्टर द्वारा आपूर्ति की जाती है जो संबंधित IGBT के एमिटर को संदर्भित करता है। Vout पिन सीधे IGBT गेट से जुड़ता है, संभवतः रिंगिंग को डैम्प करने के लिए एक छोटे श्रृंखला रेसिस्टर के साथ। 0.1 µF कैपेसिटर प्रत्येक कपलर के पिन 6 और 4 के ठीक पार रखा जाता है। यह डिज़ाइन मजबूत आइसोलेशन प्रदान करता है, स्विचिंग IGBTs से उच्च dV/dt नॉइज़ को संभालता है, और डिस्क्रीट समाधानों की तुलना में कंपोनेंट काउंट को सरल बनाता है।

11. ऑपरेटिंग प्रिंसिपल परिचय

ELS680-G ऑप्टिकल आइसोलेशन के सिद्धांत पर काम करता है। एक विद्युत इनपुट सिग्नल (इन्फ्रारेड LED के माध्यम से धारा) LED को प्रकाश उत्सर्जित करने का कारण बनता है। यह प्रकाश एक आंतरिक डाइइलेक्ट्रिक आइसोलेशन बैरियर (उच्च वोल्टेज आइसोलेशन प्रदान करता है) को पार करता है और आउटपुट साइड पर एक मोनोलिथिक इंटीग्रेटेड सर्किट के भीतर एक फोटोडायोड पर पड़ता है। इस IC में केवल फोटोडायोड ही नहीं, बल्कि एम्प्लिफिकेशन, शेपिंग और एक टोटेम-पोल आउटपुट स्टेज भी शामिल है। IC फोटोकरंट को एक साफ, बफर किए गए डिजिटल आउटपुट सिग्नल में परिवर्तित करता है जो इनपुट स्थिति को दर्शाता है। ऑप्टिकल पथ यह सुनिश्चित करता है कि इनपुट और आउटपुट के बीच कोई विद्युत कनेक्शन नहीं है, केवल प्रकाश ऊर्जा का स्थानांतरण है।

12. प्रौद्योगिकी रुझान और संदर्भ

ELS680-G जैसे गेट ड्राइव फोटोकपलर पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में उच्च एकीकरण, विश्वसनीयता और शोर प्रतिरक्षा की ओर एक चल रहे रुझान का हिस्सा हैं। जैसे-जैसे दक्षता लाभ के लिए मोटर ड्राइव और इन्वर्टर में स्विचिंग आवृत्तियाँ बढ़ती हैं, तेज प्रसार विलंब और उच्च CMTI अधिक महत्वपूर्ण हो जाते हैं। व्यापक तापमान सीमा और पर्यावरणीय नियमों (हैलोजन-मुक्त, RoHS) के अनुपालन की ओर एक मजबूत उद्योग प्रेरणा भी है। प्रतिस्पर्धी प्रौद्योगिकियों में चुंबकीय आइसोलेटर (ट्रांसफार्मर आधारित आइसोलेटर) और कैपेसिटिव आइसोलेटर शामिल हैं, जो उच्च डेटा दर और विभिन्न प्रदर्शन समायोजन प्रदान कर सकते हैं। हालांकि, मध्यम-गति, उच्च-शोर-प्रतिरक्षा शक्ति इंटरफ़ेस अनुप्रयोगों के लिए, विशेष रूप से जहां बहुत उच्च अलगाव वोल्टेज की आवश्यकता होती है, प्रकाशीय अलगाव एक प्रमुख, अच्छी तरह से समझी जाने वाली और अत्यधिक विश्वसनीय प्रौद्योगिकी बनी हुई है।