8ピンDIP 高速10Mbit/s ロジックゲート フォトカプラ EL263Xシリーズ データシート - 10Mbps - 5000Vrms絶縁 - 技術文書

1. 製品概要

EL263Xシリーズは、高速ロジックゲート出力フォトカプラ（光アイソレータ）のファミリーです。これらのデバイスは、高速でデジタルロジック信号を伝送しながら、入力回路と出力回路の間の電気的絶縁を提供するように設計されています。中核機能は、入力ロジックレベル（HIGH/LOW）を、対応するが電気的に絶縁された出力ロジックレベルに変換することです。

主な用途は、グランドループの除去、ノイズ耐性、および電圧レベルシフトが重要なシナリオです。データ伝送におけるパルストランスの代替として一般的に使用され、ソリッドステートで、より信頼性が高くコンパクトなソリューションを提供します。

1.1 中核的利点とターゲット市場

EL263Xシリーズは、高速デジタル信号の完全性と堅牢な電気的絶縁の両方を要求するアプリケーション向けに設計されています。その主な利点は、特定の技術パラメータに由来します。

• 高速データ伝送：最大データレート10 Mbit/s、伝搬遅延は一般的に約35-40 nsであり、タイミングが重要な最新のデジタル通信インターフェース、コンピュータ周辺機器、および多重化システムに適しています。
• 優れたノイズ耐性：最小コモンモード過渡耐性（CMTI）10 kV/μs（EL2631）により、スイッチング電源やモータードライブなど、絶縁バリアを横切る大きな高速電圧スパイクが一般的な電気的にノイズの多い環境でも確実に動作します。
• 高絶縁電圧：5000 V_rmsの絶縁電圧は、強力な安全性と保護バリアを提供し、産業制御システム、医療機器、および強化絶縁を必要とするその他のアプリケーションに適しています。
• 広い温度範囲での動作：-40°Cから+85°Cまでの保証された性能は、極端な温度にさらされる自動車、産業、および屋外アプリケーションに適しています。
• ロジックゲート互換性：出力は標準ロジックファミリ（LSTTL、TTL、5V CMOS）と直接互換性があり、追加のバッファ回路を必要とせずにインターフェース設計を簡素化します。

ターゲット市場には、産業オートメーション、電源（AC-DC、DC-DCコンバータ）、データ収集システム、通信インターフェース、および安全性、ノイズ低減、またはレベルシフトのためにデジタル信号の電気的絶縁が必要なあらゆる電子システムの設計者が含まれます。

2. 詳細な技術パラメータ分析

データシートは、包括的な電気的特性およびスイッチング特性を提供します。適切な回路設計のためには、詳細な解釈が不可欠です。

2.1 絶対最大定格

これらは、いかなる条件下でも（一瞬でも）超えてはならないストレス限界です。これらの定格を超えてデバイスを動作させると、永久損傷を引き起こす可能性があります。

• 入力順方向電流（I_F):20 mA。入力赤外線LEDは、I_Fがこの値を下回るようにするために、電流制限抵抗で駆動する必要があります。
• 出力電源電圧（V_CC）：7.0 V。これは、出力側のV_CCピン（ピン8）に印加できる絶対最大電圧です。
• 出力電圧（V_O）：7.0 V。出力ピン（6、7）の電圧はこの制限を超えてはなりません。
• 絶縁電圧（V_ISO）：1分間5000 V_rms。これは、入力（ピン1-4）と出力（ピン5-8）セクション間の絶縁バリアの絶縁耐力の試験パラメータです。
• はんだ付け温度（T_SOL）：10秒間260°C。これはリフローはんだ付けプロファイルをガイドし、パッケージ本体が耐えられるピーク温度を示します。

2.2 電気的特性および伝達特性

これらのパラメータは、通常動作条件（T_A= -40°C ～ 85°C）におけるデバイスの性能を定義します。

• 順方向電圧（V_F）：I_F=10mAで典型的に1.4V。これは、電圧源から駆動する場合の入力直列抵抗の計算に使用されます（例：R_limit= (V_source- V_F) / I_F）。
• 低レベル出力電圧（V_OL）：I_F=5mAおよびI_OL=13mAで最大0.6V。これは、有効なロジックLOW電圧を維持しながら、出力が電流をシンクする能力を定義します。
• 入力しきい値電流（I_FT）：最大5mA。これは、出力が有効なロジックLOW状態（V_O <0.6V）に切り替わることを保証するために必要な入力電流です。設計では、マージンを確保するために、これよりもかなり高いI_F（例：試験条件に示す7.5mAまたは10mA）を使用する必要があります。
• 電源電流（I_CCH、I_CCL）：出力ICの静止電流。I_CCL（出力LOW）は、出力トランジスタがアクティブであるため、I_CCH（典型的に約12.5mA）よりもわずかに高くなります（典型的に約14.5mA）。

2.3 スイッチング特性

これらのパラメータは、高速回路のタイミング分析において重要です。試験条件：V_CC=5V、I_F=7.5mA、C_L=15pF、R_L=350Ω。

• 伝搬遅延（t_PLH、t_PHL）：入力電流が3.75mAを超えてから出力電圧が1.5Vを超えるまでの時間。t_PLH（入力HIGH-to-LOWから出力LOW-to-HIGH）は典型的に35 ns、最大100 ns。t_PHLは典型的に40 ns、最大100 ns。非対称性（典型的に5 ns）はパルス幅歪みの原因となります。
• パルス幅歪み（PWD）：|t_PHL- t_PLH|、最大35 ns。これは伝搬遅延の差であり、出力パルス幅が入力パルス幅と異なる原因となります。クロックまたは精密なタイミング信号伝送において重要です。
• 立ち上がり/立ち下がり時間（t_r、t_f）： t_r（10% ～ 90%）は典型的に40 ns。t_f（90% ～ 10%）は典型的に10 ns。より速い立ち下がり時間は、アクティブプルダウン回路の典型的な特徴です。
• コモンモード過渡耐性（CMTI）：これは重要な絶縁パラメータです。EL2631は最小10,000 V/μs（典型的に20,000 V/μs）を保証し、EL2630は5,000 V/μsを保証します。これは、入力と出力のグランド間の高速電圧過渡に対する出力状態の耐性を測定します。高いCMTIは、ノイズの多い環境での誤ったスイッチングを防止します。

3. 性能曲線分析

提供されたPDF抜粋は5ページに典型的な電気光学特性曲線について言及していますが、具体的なグラフは本文に含まれていません。通常、フォトカプラのこのような曲線には以下が含まれます：

• 電流伝達率（CTR）対順方向電流：入力LED電流に対する結合出力電流の効率を示しますが、ロジックゲート出力の場合、これはIC内部のものです。
• 伝搬遅延対温度：動作温度範囲にわたる信号タイミングパラメータの変化を示します。
• 順方向電圧対温度：負の温度係数（V_F/T_A≈ -1.8 mV/°C）を示し、定電流駆動設計において重要です。
• 出力電圧対出力電流（シンク/ソース）：出力ドライバの能力を詳細に説明します。

設計者は、性能限界とデレーティングを理解するために、これらのグラフについてメーカーの完全なデータシートを参照する必要があります。

4. 機械的仕様、パッケージおよび実装情報

4.1 ピン配置と回路図

デバイスは標準的な8ピンデュアルインチパッケージ（DIP）に収められています。

• ピン配置：
  1. アノード 1
  2. カソード 1
  3. カソード 2
  4. アノード 2
  5. グランド（GND）
  6. 出力電圧 2（V_OUT2)
  7. 出力電圧 1（V_OUT1)
  8. 電源電圧（V_CC)
• 真理値表（正論理）：入力HIGH = 出力LOW；入力LOW = 出力HIGH。デュアルアノード/カソードピンにより、入力LEDの柔軟な接続が可能です。
• 重要なバイパス：良好な高周波特性を持つ0.1 µF（またはそれ以上）のセラミックコンデンサを必ずV_CC（ピン8）とGND（ピン5）の間に、デバイスピンにできるだけ近接して配置する必要があります。これは安定動作とスイッチングノイズの最小化に不可欠です。

4.2 はんだ付けと取り扱い

はんだ付けの絶対最大定格は10秒間260°Cです。これは標準的な無鉛リフロープロファイルに対応します。波はんだ付けや手はんだ付けの場合、パッケージ損傷を防ぐために接触時間と温度を制御する必要があります。取り扱い中は標準的なESD（静電気放電）対策を講じる必要があります。

5. アプリケーションガイドラインと設計上の考慮点

5.1 代表的なアプリケーション回路

EL263Xは多用途です。主な用途は以下の通りです：

• デジタルインターフェース絶縁：マイクロコントローラと異なる電源ドメインまたはノイズの多い環境にある周辺機器間のUART、SPI、またはI2Cラインの絶縁。
• スイッチング電源フィードバック：二次側（出力）から一次側コントローラへのフィードバック誤差信号の絶縁により、安全性絶縁と電源スイッチング過渡からのノイズ耐性を提供します。
• データラインのグランドループブレーカー：別々のグランドを持つシステム間の通信リンクにおける循環電流とノイズの防止。
• 絶縁付きロジックレベルトランスレータ：電圧レベルシフト（例：3.3Vから5V）を行いながら、電気的絶縁も提供します。

5.2 重要な設計上の考慮点

• 入力電流設定：速度とマージンに基づいてI_Fを選択します。試験条件は7.5mAです。10-16 mAを使用すると、より高速なスイッチングとより良いノイズマージンが得られますが、消費電力が増加します。常に直列抵抗を使用します：R_IN= (V_DRIVE- V_F) / I_F。V_Fは温度とともに低下することを忘れないでください。
• 出力負荷：試験負荷はV_CCに対して350Ωです。出力は、V_OL0.6Vを維持しながら、最小13mA（I_OL <条件）をシンクできます。最大出力電流（I_O= 50 mA）を超えないようにしてください。
• 電源デカップリング：0.1 µFのバイパスコンデンサは必須です。これがないと、発振、誤トリガ、またはCMTI性能の低下を引き起こす可能性があります。
• 高CMTIのためのレイアウト：定格CMTIを達成するには、絶縁バリアを横切る寄生容量を最小限に抑えます。PCB上で入力と出力のトレースを物理的に分離します。5000V_rms isolation.
• のメーカー推奨の沿面距離および空間距離に従ってください。EL2630とEL2631の選択：

主な違いは保証されたCMTIです。モータードライブや高出力インバータなど、極めて高いdV/dtノイズがあるアプリケーションではEL2631を使用します。EL2630は要求が厳しくない環境に適しています。

6. 技術比較と差別化

• 標準的な4N25/4N35シリーズフォトカプラ（トランジスタ出力）と比較して、EL263Xはデジタルシステムにおいて決定的な利点を提供します：速度：<10 Mbit/s 対 トランジスタ出力カプラの典型的に100 kbit/s。
• 出力タイプ：アクティブプルアップおよびプルダウンを備えたロジックゲート出力は、クリーンで高速なエッジと直接的なロジック互換性を提供します。これは、外部プルアップ抵抗を必要とし、速度が遅いオープンコレクタトランジスタ出力とは異なります。
• CMTI：指定および保証された高いCMTI（10 kV/µs）は、産業用堅牢性の重要な指標であり、基本的なカプラでは指定されていないか、はるかに低いことがよくあります。

他の高速カプラまたはデジタルアイソレータ（容量結合または磁気結合ベース）と比較して、EL263Xのようなフォトカプラは、よく理解された光技術に基づき、磁場に対する本質的に高い耐性を持つという利点を提供します。

7. よくある質問（パラメータに基づく）

Q: 達成できる最大データレートはどれくらいですか？

A: デバイスは10 Mbit/s動作で特性評価されています。制限要因は伝搬遅延とパルス幅歪みです。50%デューティサイクルの矩形波の場合、最大周波数は約1/(2 * t_PHL) または 1/(2 * t_PLH) のうち小さい方です。最大遅延（100 ns）を使用すると、約5 MHzになります。ただし、ノンリターン・トゥ・ゼロ（NRZ）データの場合、10 Mbit/sレートは有効です。

Q: なぜバイパスコンデンサが必須なのですか？

A: 内部出力段の高速スイッチングにより、V_CCラインに突然の電流スパイクが発生します。局所的な低インダクタンスコンデンサがないと、これらのスパイクにより内部電源電圧が低下またはスパイクし、不安定な動作、ノイズマージンの低下、およびCMTI仕様の不適合を引き起こす可能性があります。

Q: マイクロコントローラピンから直接入力駆動できますか？

A: はい、ただし必ず電流制限抵抗を使用する必要があります。3.3Vまたは5Vの典型的なマイクロコントローラピンは、十分な電流をソース/シンクできます。例えば、3.3VピンからI_F≈ 10mAを得るには：R = (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω（標準値の180Ωまたは200Ωを使用）。常にMCUピンの電流容量を確認してください。

Q: "ストローブ可能出力"機能とはどういう意味ですか？

A: これは出力をハイインピーダンス状態に強制する能力を指します。提供された真理値表には無効化機能は示されていませんが、一部のロジックゲートフォトカプラには出力イネーブルピンがあります。EL263Xの説明ではこれに言及していますが、ピン配置と表にはこのための専用ピンは示されていません。設計者は、特定のバリアントにおけるこの機能の実装を確認する必要があります。

8. 実践的な設計ケーススタディ

シナリオ：モータノイズのある産業環境で、3.3Vセンサーノードと5Vシステムコントローラ間の1 Mbit/s UART信号を絶縁します。

設計手順：

1. 部品選択：近隣のモータからのノイズに耐えるために、より高い保証CMTI（10 kV/µs）を持つEL2631を選択します。
2. 入力回路：3.3VセンサのTXピンがフォトカプラ入力を駆動します。I_F= 10mAのための直列抵抗を計算：R_IN= (3.3V - 1.4V) / 0.01A = 190Ω。180Ω抵抗を使用します。アノード（ピン1または4）を抵抗に接続し、カソード（ピン2または3）をセンサGNDに接続します。
3. 出力回路：コントローラ側からV_CC= 5Vを供給します。0.1 µFセラミックコンデンサをピン8（V_CC）とピン5（GND）の間に直接配置します。出力ピン（6または7）を5VコントローラのRXピンに接続します。必要に応じて電流制限のために直列抵抗（例：100Ω）を追加できますが、ロジック入力には厳密には必要ありません。
4. PCBレイアウト：フォトカプラをPCB上の絶縁ギャップにまたがるように配置します。すべての入力側と出力側の銅箔、部品、およびトレース間で、>8mmの沿面距離/空間距離（5000V_rmsの安全規格を参照）を確保します。バイパスコンデンサのリード線を非常に短く保ちます。
5. 検証：この設定では、センサTXからのロジックHIGH（3.3V）によりLEDが点灯し、出力がLOW（<0.6V）になり、5VコントローラはこれをロジックLOWとして読み取ります。信号は反転しており、必要に応じてソフトウェアで修正できます。

9. 動作原理

EL263Xは光結合の原理で動作します。電気入力信号が赤外線発光ダイオード（LED）を駆動します。順方向バイアスがかかると、LEDは赤外線を発光します。この光は透明な絶縁バリア（通常は成形プラスチックギャップ）を通過します。反対側では、モノリシックシリコンフォトダイオードと集積回路がこの光を検出します。ICには、高利得アンプ、ノイズ耐性のためのシュミットトリガ、およびトーテムポール出力ドライバ段が含まれています。ドライバは、光の有無に基づいて、出力ピンをアクティブにHIGH（V_CC側）またはLOW（GND側）に引き込み、入力から電気的に絶縁されたクリーンでバッファされたロジック信号を生成します。絶縁バリアは高電圧耐力を提供し、グランドループを防止します。

10. 技術トレンド

フォトカプラ技術は進化を続けています。EL263Xのようなデバイスに関連するトレンドは以下の通りです：

• より高速化：最新の高速シリアルインターフェース向けに、50 Mbit/sを超え、100+ Mbit/s範囲のデータレートを目指した継続的な開発が行われています。
• 低消費電力化：入力LED電流要件（I_F）および出力電源電流（I_CC）を低減し、携帯機器および省エネデバイスの要求に応えます。
• 統合の強化：複数の絶縁チャネル（デュアル、クワッド）を単一パッケージに組み合わせ、SPIや絶縁GPIOなどのマルチラインインターフェースで基板スペースとコストを削減します。
• CMTIの向上：パワーエレクトロニクスのスイッチング速度が向上する（例：SiCおよびGaNトランジスタ）につれて、信頼性を維持するためにさらに高いCMTI定格（25-100 kV/µs）を持つアイソレータの需要が高まっています。
• パッケージの小型化：スルーホールDIPパッケージから、SOIC-8やさらに小型のワイドボディSOICパッケージなどの表面実装オプションに移行し、より高密度のPCB設計に対応します。

EL263Xシリーズは、確立された性能範囲に位置し、幅広い産業および通信アプリケーション向けに、速度、絶縁強度、およびノイズ耐性の堅牢なバランスを提供します。