6ピンSDIP 高速10MBit/s ロジックゲート フォトカプラ ELS611-Gシリーズ データシート - 技術文書

1. 製品概要

ELS611-Gシリーズは、デジタル信号絶縁を目的とした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、赤外線発光ダイオードと、ストア可能なロジックゲート出力を備えた高速集積フォト検出器を光学的に結合したものです。コンパクトな6ピン小型デュアルインナラインパッケージ（SDIP）に収められており、パルストランスを置き換え、ノイズの多い電気環境において堅牢なグランドループ除去を提供するように設計されています。

中核機能は、入力回路と出力回路の間の電気的絶縁を提供し、グランドループ、電圧スパイク、ノイズの伝播を防止することです。ロジックゲート出力によりクリーンなデジタル信号伝送が保証され、異なるロジックファミリーや電圧ドメイン間のインターフェースに適しています。

1.1 中核的利点とターゲット市場

ELS611-Gシリーズの主な利点は、高速デジタル通信プロトコルをサポートする最大10MBit/sの高速性能を含みます。5000Vrmsの高絶縁耐圧を提供し、敏感な回路に対する優れた保護を実現します。デバイスはハロゲンフリー要件（Br <900ppm、Cl <900ppm、Br+Cl <1500ppm）に準拠し、鉛フリーであり、RoHSおよびEU REACH指令を満たしています。UL、cUL、VDE、NEMKO、FIMKO、SEMKO、DEMKO、CQCなどの主要な国際安全規格機関の認証を取得しており、グローバル市場での使用を容易にします。

主なターゲットアプリケーションは、産業オートメーション、電源システム（例：フィードバック絶縁用のスイッチング電源）、コンピュータ周辺機器インターフェース、データ伝送システム、データ多重化、およびデジタル信号に対して信頼性の高い高速絶縁を必要とするあらゆるシナリオです。

2. 詳細な技術パラメータ分析

以下のセクションでは、データシートに規定されている主要な電気的および性能パラメータについて、詳細かつ客観的な分析を提供します。

2.1 絶対最大定格

これらの定格は、デバイスに永久的な損傷が生じる可能性のあるストレスの限界を定義します。これらの限界値付近または限界値でデバイスを連続動作させることは推奨されません。

• 入力順方向電流（I_F)）： 20 mA。入力LEDを流すことができる最大連続電流です。
• 入力逆電圧（V_R)）： 5 V。入力LEDが耐えられる最大逆バイアス電圧です。
• 入力損失電力（P_D)）： 40 mW。入力側で消費できる最大電力です。
• 出力側電源電圧（V_CC)）： 7.0 V。出力側電源ピンに印加できる絶対最大電圧です。
• 出力電圧（V_O)）： 7.0 V。出力ピンに現れることができる最大電圧です。
• 出力電流（I_O)）： 50 mA。出力ピンがシンクまたはソースできる最大電流です。
• 絶縁耐圧（V_ISO)）： 1分間 5000 Vrms。これは重要な安全定格であり、入力ピン（1,2,3,4）を短絡し、出力ピン（5,6）を短絡した状態で試験されます。
• 動作温度（T_OPR)）： -40°C から +85°C。通常動作時の周囲温度範囲です。
• 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の許容範囲を定義します。

2.2 電気的特性

これらは、指定された試験条件下で保証される性能パラメータです。

2.2.1 入力特性（LED側）

• 順方向電圧（V_F)）： I_F=10mA時、標準値1.45V、最大1.8V。これは入力電流制限回路の設計に使用されます。
• 逆電流（I_R)）： V_R=5V時、最大10 µA。これはLEDのオフ状態におけるリーク電流を示します。
• 入力容量（C_IN)）： 標準値60pF。このパラメータは入力側の高周波スイッチング性能に影響します。

2.2.2 出力特性

• 電源電流、ハイレベル（I_CCH)）： I_F=0mA（LEDオフ）かつ V_CC=5.5V時、7mA から 13mA。これは出力がロジックハイ状態にあるときの静止電流です。
• 電源電流、ローレベル（I_CCL)）： I_F=10mA（LEDオン）かつ V_CC=5.5V時、9mA から 15mA。これは出力がアクティブにローレベルにプルダウンされているときの動作電流です。
• ローレベル出力電圧（V_OL)）： 条件 V_CC=5.5V、I_F=5mA、I_OL=13mA下で、標準値0.4V、最大0.6V。これはローレベルで電流をシンクしているときの出力電圧を定義します。
• 入力しきい値電流（I_FT)）： 最大5mA。これは、指定された V_OLおよび I_CC条件下で、出力が有効なローロジックレベル（V_OL<= 0.6V）に切り替わることを保証するために必要な最小入力LED電流です。必要な駆動電流を決定するための重要なパラメータです。

2.3 スイッチング特性

これらのパラメータは、高速データ伝送に不可欠なフォトカプラのタイミング性能を定義します。試験条件は、特記なき限り V_CC=5V、I_F=7.5mA、C_L=15pF、R_L=350Ωです。

• ハイレベルへの伝搬遅延時間（t_PHL)）： 標準値40ns、最大100ns。入力LEDのオフから出力がロジックハイに立ち上がるまでの時間です。
• ローレベルへの伝搬遅延時間（t_PLH)）： 標準値50ns、最大100ns。入力LEDのオンから出力がロジックローに立ち下がるまでの時間です。
• パルス幅歪み（|t_PHL– t_PLH|））： 標準値10ns、最大50ns。二つの伝搬遅延時間の差です。値が低いほど、信号の完全性とデューティサイクルを維持するのに優れています。
• 出力立ち上がり時間（t_r)）： 標準値50ns。出力が最終ハイ値の10%から90%まで立ち上がる時間です。
• 出力立ち下がり時間（t_f)）： 標準値10ns。出力が初期ハイ値の90%から10%まで立ち下がる時間です。
• 同相過渡耐性（CMH、CML））： 最小5 kV/µs。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デバイスの耐性を測定します。CMHは出力がハイのときに適用され、CMLは出力がローのときに適用されます。高い値は、絶縁バリアを通じて結合するノイズに対する強い除去能力を示します。

3. 性能曲線分析

データシートは典型的な電気光学特性曲線を参照しています。提供されたテキストでは具体的なグラフは詳細に記述されていませんが、通常は設計に不可欠な以下の内容を含みます：

• 電流伝達率（CTR）対順方向電流： フォトカプラの効率を示します。ロジックゲートタイプの場合、これはスイッチングパラメータに組み込まれていますが、温度や電流にわたる性能を示すことができます。
• 伝搬遅延時間対順方向電流： スイッチング速度がLED駆動電流とともにどのように変化するかを示します。高い I_Fは一般に伝搬遅延を減少させますが、消費電力は増加します。
• 伝搬遅延時間対温度： 動作温度範囲にわたるタイミングパラメータの変動を示します。
• 電源電流対温度： 出力側の消費電力が温度とともにどのように変化するかを示します。

設計者は、特定のアプリケーション条件における性能限界とデレーティングの必要性を理解するために、完全なデータシートのグラフを参照すべきです。

4. 機械的およびパッケージ情報

4.1 ピン配置と機能

デバイスは6ピンSDIPパッケージを使用します。ピン配置は以下の通りです：

• ピン1： 入力LEDのアノード。
• ピン2： 未接続（N.C.）。
• ピン3： 入力LEDのカソード。
• ピン4： 出力側のグランド（GND）。
• ピン5： 出力（V_OUT）。これは内部ロジックゲートのオープンコレクタまたはトーテムポール出力です。
• ピン6： 出力側の電源電圧（V_CC）。

重要な設計上の注意：良好な高周波特性を持つ0.1µF（またはそれ以上）のバイパスコンデンサを、ピン6（V_CC）とピン4（GND）の間に、パッケージにできるだけ近接して接続する必要があります。これは安定動作と規定のスイッチング性能達成に不可欠です。

4.2 パッケージ寸法とPCBレイアウト

データシートはPタイプ（表面実装リード形状）パッケージの詳細な機械図面を提供します。主要寸法には、パッケージ本体の全サイズ、リードピッチ、スタンドオフ高さが含まれます。信頼性の高いはんだ付けと機械的強度を確保するための、表面実装組立用の推奨パッドレイアウトも提供されています。設計者は、タンブストーン現象や不良はんだ接合を防ぐために、これらのレイアウトガイドラインに従わなければなりません。

5. はんだ付けおよび組立ガイドライン

はんだ付け温度の絶対最大定格は、10秒間260°Cです。これは一般的な鉛フリーリフローはんだ付けプロファイルに適合します。以下の注意事項を遵守すべきです：

• 使用する特定のはんだペーストに推奨されるリフロープロファイルに従い、ピーク温度および液相線以上の時間がデバイスの定格を超えないようにします。
• 取り扱い中にパッケージに過度の機械的ストレスをかけないようにします。
• はんだブリッジや不十分なフィレットを防ぐために、推奨されるPCBパッド設計に従います。
• 保管条件は、指定された保管温度範囲-55°Cから+125°C内で、表面実装デバイスの標準的な湿気感受性レベル（MSL）要件（抜粋では具体的なMSLは明記されていません）に従い乾燥した環境とすべきです。

6. 梱包および発注情報

6.1 型番規則

品番は以下の形式に従います： ELS611X(Y)-VG

• EL： メーカー接頭辞。
• S611： 基本品番。
• X： リードタイプ。Pは表面実装リード形状を表します。
• (Y)： テープおよびリールオプション。TAまたはTBは異なるリール梱包スタイルを指定します。
• V： オプション、VDE認証を表します。
• G： ハロゲンフリー構造を表します。

例： ELS611P(TA)-VGは、TAテープおよびリール上の表面実装デバイスで、VDE認証済み、ハロゲンフリーです。

6.2 梱包仕様

デバイスは自動組立用にテープおよびリール梱包で提供されます。TAおよびTBオプションはともにリールあたり1000個を含みます。データシートには、テープ寸法、ポケット間隔、リールサイズを指定する図面が含まれています。

6.3 デバイスマーキング

パッケージには、製造元、デバイス番号、日付コードを示すコードがマーキングされています。形式には、工場コード（台湾の場合はT）、メーカーを示すEL、デバイスを示すS611、1桁の年コード、2桁の週コード、およびオプションのVDEを示すVが含まれます。

7. アプリケーション提案および設計上の考慮事項

7.1 典型的なアプリケーション回路

主なアプリケーションはデジタル信号絶縁です。典型的な回路は以下を含みます：

1. 入力側：順方向電流 I_Fを設定するために、LED（ピン1と3）と直列に電流制限抵抗を配置します。値は駆動電圧と所望の I_F（通常、しきい値電流 I_FTと最大定格の間）に基づいて計算されます。高速動作のためには、高速ドライバが推奨されます。
2. 出力側： V_CC（ピン6）は所望のロジック電源電圧（最大7V）に接続します。ピン4（GND）は出力側グランドに接続します。出力ピン5は受信側ロジック入力に接続します。内部出力構造（データシートの回路図はアクティブプルダウンを示しており、トーテムポール出力を示唆していますが、設計ではプルアップが必要かどうかを確認すべきです）に応じて、V_CCへの外部プルアップ抵抗が必要になる場合があります。V_CCとGNDの間の重要な0.1µFバイパスコンデンサは必須です。

7.2 設計上の考慮事項

• 速度対電流：高い I_Fは伝搬遅延を改善しますが、消費電力が増加し、長期信頼性が低下する可能性があります。必要な速度と熱制約に基づいて I_Fを最適化します。
• ノイズ耐性：高い同相過渡耐性（5kV/µs）により、モータードライブや電源などのノイズの多い環境に適しています。絶縁バリア周辺の寄生結合を最小限に抑えるために、適切なPCBレイアウトを確保します。
• 負荷に関する考慮事項：最大出力電流（I_O）および電圧（V_O）定格を遵守します。出力は標準的なロジック入力（TTL、CMOS）を駆動するように設計されており、重い負荷を駆動するものではありません。
• 電源バイパス：推奨されるバイパスコンデンサを無視すると、発振、誤トリガ、およびスイッチング性能の劣化を引き起こす可能性があります。

8. 技術比較および差別化

標準的なトランジスタ出力フォトカプラと比較して、ELS611-Gの集積ロジックゲートはいくつかの重要な利点を提供します：

• 高速性：10MBit/sのデータレートと100ns未満の伝搬遅延は、典型的なトランジスタカプラ（しばしばµs範囲）よりも大幅に高速です。
• クリーンなデジタル出力：ロジックゲート出力は、外部シュミットトリガを必要とせずに鋭いエッジと明確なロジックレベルを提供し、回路設計を簡素化します。
• 低いパルス歪み：規定されたパルス幅歪みは低く、クロックおよびデータラインにおける信号の完全性を維持するために重要です。
• 集積機能：フォト検出器、増幅器、およびロジックゲートを1つのチップに組み合わせ、外部部品点数を削減します。

9. よくある質問（技術パラメータに基づく）

1. Q: 出力が確実にローに切り替わるために必要な最小入力電流は何ですか？
   
   A: パラメータ I_FT（入力しきい値電流）は、試験条件（V_CC=5.5V、V_O=0.6V、I_OL=13mA）下で最大値5mAを持ちます。すべての条件下で確実なスイッチングを保証するために、設計ではこの値よりも大きい I_F、通常スイッチング特性に示される7.5mAから10mAを使用すべきです。
2. Q: 出力側で3.3Vロジック電源と一緒に使用できますか？
   
   A: はい、デバイスは V_CCが内部ロジックゲートが機能するために必要な最小値（明示されていませんが、CMOSの場合通常〜2.7Vから3V）まで低くても動作できます。出力ロジックレベルはこの V_CCに対して相対的になります。最大 V_CCは7.0Vです。
3. Q: 0.1µFバイパスコンデンサはどれほど重要ですか？
   
   A: 安定した高速動作には絶対に重要です。これは出力段のスイッチング電流のための局所的な電荷貯蔵庫を提供し、電源レールのドループや誤動作を引き起こす可能性のある発振を防止します。
4. Q: ストア可能出力とはどういう意味ですか？
   
   A: おそらく、出力状態を保持できるラッチまたはフリップフロップ機能を指します。しかし、PDFの真理値表は単純なインバータ機能（入力H -> 出力L、入力L -> 出力H）を示しています。この用語は、出力が短い中断中にその状態を維持できるか、または良好なノイズ耐性を持っていることを示している可能性があります。明確にするためには回路図を参照すべきです。

10. 実用的なアプリケーション例

シナリオ： 産業用コントローラにおけるUART信号の絶縁。

産業用マイクロコントローラが、115200ボーで周辺機器とUARTを介して通信します。周辺機器は異なるグランド電位を持つ別の電源で動作しており、グランドループのリスクが生じます。

実装：

2つのELS611-Gデバイスが使用され、1つはTXライン（コントローラから周辺機器へ）、もう1つはRXライン（周辺機器からコントローラへ）用です。TXアイソレータでは、マイクロコントローラのTXピンが、I_F=10mAに設定された電流制限抵抗を介してLEDを駆動します。アイソレータの出力ピンは周辺機器のRX入力に接続します。アイソレータの V_CCは周辺機器の5Vまたは3.3Vレールから供給され、必須のバイパスコンデンサが接続されます。RXラインについても同様のプロセスが行われます。この構成により、グランド接続が切断され、ノイズ結合が防止され、周辺機器側の電圧過渡からマイクロコントローラが保護されながら、高速シリアルデータの完全性が維持されます。

11. 動作原理

フォトカプラは、電気的絶縁を達成するための光結合の原理に基づいて動作します。ELS611-Gでは：

1. 入力側に印加された電気信号により、赤外線発光ダイオード（LED）が電流に比例した光を発します。
2. この光は、パッケージ内の透明な絶縁バリア（通常はモールドコンパウンド）を横断します。
3. 出力側では、シリコンフォトダイオードまたはフォトトランジスタが光を検出し、それを電気電流に変換します。
4. この小さな光電流は、ロジックゲート（この場合、おそらくインバータまたはバッファ）を含む高速集積回路によって増幅および処理されます。ICは、入力状態を複製するが電気的に絶縁された、クリーンなデジタル出力信号を提供します。
5. 絶縁バリアは高い絶縁耐力（5000Vrms）を提供し、両側間の電流の流れと電位差を防止します。

12. 技術トレンド

ELS611-Gのようなフォトカプラの進化は、エレクトロニクスにおけるいくつかの主要なトレンドによって推進されています：

• データレートの向上：産業用通信（Profibus、EtherCAT）、自動車ネットワーク、再生可能エネルギーシステムにおける高速絶縁の需要が、より低い伝搬遅延と高い同相耐性を持つデバイスを推進しています。
• 小型化：PCBスペースを節約するために、同じまたはより良い絶縁定格を持つより小さなパッケージ（例：SOIC-4、LSSOP）への継続的なトレンドがあります。
• 高度な集積化：将来のデバイスは、単一パッケージ内で電力絶縁（絶縁型DC-DCコンバータ）とデータ絶縁を統合したり、マルチチャネルアイソレータを統合したりするなど、より多くの機能を統合する可能性があります。
• 材料およびプロセスの革新：LED効率、検出器感度、モールドコンパウンド純度の向上は、低消費電力、高速化、および長期信頼性の向上に貢献しています。
• 代替絶縁技術：フォトカプラは成熟していますが、容量性絶縁（SiO2バリアを使用）や磁気（GMR）絶縁などの技術が、一部の高速・高密度アプリケーションで競合しています。各技術には、速度、耐性、消費電力、コストの面でそれぞれのトレードオフがあります。