6핀 SDIP 고속 10MBit/s 논리 게이트 포토커플러 ELS611-G 시리즈 데이터시트 - 한국어 기술 문서

1. 제품 개요

ELS611-G 시리즈는 디지털 신호 절연을 위해 설계된 고속 논리 게이트 출력 포토커플러(광절연기) 제품군입니다. 이 장치는 적외선 발광 다이오드가 고속 집적 광검출기 및 저장 가능한 논리 게이트 출력과 광학적으로 결합된 구조를 통합합니다. 컴팩트한 6핀 소형 듀얼 인라인 패키지(SDIP)에 실장되어, 펄스 트랜스포머를 대체하고 잡음이 많은 전기 환경에서 견고한 그라운드 루프 제거 기능을 제공하도록 설계되었습니다.

핵심 기능은 입력 및 출력 회로 간의 전기적 절연을 제공하여 그라운드 루프, 전압 서지 및 노이즈의 전파를 방지하는 것입니다. 논리 게이트 출력은 깨끗한 디지털 신호 전송을 보장하여 서로 다른 논리 계열 또는 전압 영역 간의 인터페이스에 적합합니다.

1.1 핵심 장점 및 목표 시장

ELS611-G 시리즈의 주요 장점은 최대 10MBit/s의 고속 통신 프로토콜을 지원하는 고속 능력을 포함합니다. 5000Vrms의 높은 절연 전압을 제공하여 민감한 회로를 우수하게 보호합니다. 이 장치는 할로겐 프리 요구사항(Br <900ppm, Cl <900ppm, Br+Cl <1500ppm)을 준수하며, 무연 공정을 사용하며 RoHS 및 EU REACH 지침을 충족합니다. UL, cUL, VDE, NEMKO, FIMKO, SEMKO, DEMKO, CQC 등 주요 국제 안전 인증 기관의 승인을 획득하여 글로벌 시장에서의 사용을 용이하게 합니다.

주요 적용 분야는 산업 자동화, 전원 공급 시스템(예: 피드백 절연용 스위칭 전원 공급 장치), 컴퓨터 주변 장치 인터페이스, 데이터 전송 시스템, 데이터 멀티플렉싱 및 디지털 신호를 위한 신뢰할 수 있는 고속 갈바닉 절연이 필요한 모든 시나리오입니다.

2. 심층 기술 파라미터 분석

다음 섹션에서는 데이터시트에 명시된 주요 전기 및 성능 파라미터에 대한 상세하고 객관적인 분석을 제공합니다.

2.1 절대 최대 정격

이 정격은 장치에 영구적인 손상이 발생할 수 있는 한계를 정의합니다. 이 한계에서 또는 그 근처에서 장치를 지속적으로 동작시키는 것은 권장되지 않습니다.

• 입력 순방향 전류 (I_F): 20 mA. 입력 LED를 통해 허용되는 최대 연속 전류입니다.
• 입력 역방향 전압 (V_R): 5 V. 입력 LED가 견딜 수 있는 최대 역바이어스 전압입니다.
• 입력 전력 소산 (P_D): 40 mW. 입력 측에서 소산할 수 있는 최대 전력입니다.
• 출력 공급 전압 (V_CC): 7.0 V. 출력 측 공급 핀에 인가할 수 있는 절대 최대 전압입니다.
• 출력 전압 (V_O): 7.0 V. 출력 핀에 나타날 수 있는 최대 전압입니다.
• 출력 전류 (I_O): 50 mA. 출력 핀이 싱크 또는 소스할 수 있는 최대 전류입니다.
• 절연 전압 (V_ISO): 1분 동안 5000 Vrms. 이는 중요한 안전 정격으로, 입력 핀(1,2,3,4)을 함께 단락시키고 출력 핀(5,6)을 함께 단락시킨 상태에서 테스트됩니다.
• 동작 온도 (T_OPR): -40°C ~ +85°C. 정상 동작을 위한 주변 온도 범위입니다.
• 솔더링 온도 (T_SOL): 10초 동안 260°C. 이는 리플로우 솔더링 프로파일 허용 오차를 정의합니다.

2.2 전기적 특성

이는 지정된 테스트 조건에서 보장된 성능 파라미터입니다.

2.2.1 입력 특성 (LED 측)

• 순방향 전압 (V_F): 일반적으로 1.45V, I_F=10mA에서 최대 1.8V. 이는 입력 전류 제한 회로 설계에 사용됩니다.
• 역방향 전류 (I_R): V_R=5V에서 최대 10 µA. 이는 LED의 오프 상태에서의 누설 전류를 나타냅니다.
• 입력 커패시턴스 (C_IN): 일반적으로 60pF. 이 파라미터는 입력 측의 고주파 스위칭 성능에 영향을 미칩니다.

2.2.2 출력 특성

• 공급 전류, 하이 레벨 (I_CCH): I_F=0mA (LED off) 및 V_CC=5.5V일 때 7mA ~ 13mA. 이는 출력이 논리 하이 상태일 때의 정지 전류입니다.
• 공급 전류, 로우 레벨 (I_CCL): I_F=10mA (LED on) 및 V_CC=5.5V일 때 9mA ~ 15mA. 이는 출력이 능동적으로 로우로 풀다운될 때의 동작 전류입니다.
• 로우 레벨 출력 전압 (V_OL): 일반적으로 0.4V, 조건 V_CC=5.5V, I_F=5mA, I_OL=13mA에서 최대 0.6V. 이는 로우 상태에서 전류를 싱크할 때의 출력 전압을 정의합니다.
• 입력 문턱 전류 (I_FT): 최대 5mA. 이는 지정된 V_OL 및 I_CC 조건에서 출력이 유효한 로우 논리 레벨(V_OL<= 0.6V)로 전환되도록 보장하는 데 필요한 최소 입력 LED 전류입니다. 필요한 구동 전류를 결정하는 핵심 파라미터입니다.

2.3 스위칭 특성

이 파라미터들은 고속 데이터 전송에 중요한 포토커플러의 타이밍 성능을 정의합니다. 테스트 조건은 V_CC=5V, I_F=7.5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω입니다(별도 명시되지 않는 한).

• 하이 레벨로의 전파 지연 (t_PHL): 일반적으로 40ns, 최대 100ns. 입력 LED가 꺼지는 시점부터 출력이 논리 하이로 상승하는 시간입니다.
• 로우 레벨로의 전파 지연 (t_PLH): 일반적으로 50ns, 최대 100ns. 입력 LED가 켜지는 시점부터 출력이 논리 로우로 하강하는 시간입니다.
• 펄스 폭 왜곡 (|t_PHL– t_PLH|): 일반적으로 10ns, 최대 50ns. 두 전파 지연 간의 차이입니다. 값이 낮을수록 신호 무결성과 듀티 사이클 보존에 유리합니다.
• 출력 상승 시간 (t_r): 일반적으로 50ns. 출력이 최종 하이 값의 10%에서 90%로 상승하는 시간입니다.
• 출력 하강 시간 (t_f): 일반적으로 10ns. 출력이 초기 하이 값의 90%에서 10%로 하강하는 시간입니다.
• 공통 모드 과도 내성 (CMH, CML): 최소 5 kV/µs. 이는 입력과 출력 그라운드 사이의 빠른 전압 과도 현상에 대한 장치의 내성을 측정합니다. CMH는 출력이 하이일 때 적용되고, CML은 출력이 로우일 때 적용됩니다. 높은 값은 절연 장벽을 통해 결합된 노이즈에 대한 강력한 제거 능력을 나타냅니다.

3. 성능 곡선 분석

데이터시트는 일반적인 전기-광학 특성 곡선을 참조합니다. 특정 그래프는 제공된 텍스트에 상세히 설명되어 있지 않지만, 설계에 필수적인 다음 항목을 일반적으로 포함합니다:

• 전류 전달율 (CTR) 대 순방향 전류: 포토커플러의 효율성을 보여줍니다. 논리 게이트 유형의 경우 이는 스위칭 파라미터에 내장되어 있지만 온도 및 전류에 따른 성능을 나타낼 수 있습니다.
• 전파 지연 대 순방향 전류: 스위칭 속도가 LED 구동 전류에 따라 어떻게 변하는지 설명합니다. I_F가 높을수록 일반적으로 전파 지연이 감소하지만 전력 소산은 증가합니다.
• 전파 지연 대 온도: 동작 온도 범위에 걸친 타이밍 파라미터 변화를 보여줍니다.
• 공급 전류 대 온도: 출력 측의 전력 소비가 온도에 따라 어떻게 변하는지 나타냅니다.

설계자는 특정 응용 조건에 대한 성능 한계 및 디레이팅 필요성을 이해하기 위해 전체 데이터시트 그래프를 참조해야 합니다.

4. 기계적 및 패키지 정보

4.1 핀 구성 및 기능

이 장치는 6핀 SDIP 패키지를 사용합니다. 핀아웃은 다음과 같습니다:

• 핀 1: 입력 LED의 애노드.
• 핀 2: 연결 없음 (N.C.).
• 핀 3: 입력 LED의 캐소드.
• 핀 4: 출력 측의 접지 (GND).
• 핀 5: 출력 (V_OUT). 이는 내부 논리 게이트의 오픈 컬렉터 또는 토템 폴 출력입니다.
• 핀 6: 출력 측의 공급 전압 (V_CC).

중요 설계 참고사항:우수한 고주파 특성을 가진 0.1µF(또는 그 이상)의 바이패스 커패시터를 핀 6 (V_CC)과 핀 4 (GND) 사이에 가능한 한 패키지 가까이에 연결해야 합니다. 이는 안정적인 동작과 지정된 스위칭 성능 달성에 필수적입니다.

4.2 패키지 치수 및 PCB 레이아웃

데이터시트는 "P" 타입(표면 실장 리드 형태) 패키지에 대한 상세한 기계 도면을 제공합니다. 주요 치수는 전체 패키지 본체 크기, 리드 피치 및 스탠드오프 높이를 포함합니다. 신뢰할 수 있는 솔더링 및 기계적 강도를 보장하기 위해 표면 실장 조립을 위한 권장 패드 레이아웃도 제공됩니다. 설계자는 툼스토닝 또는 불량 솔더 접합을 방지하기 위해 이러한 레이아웃 지침을 준수해야 합니다.

5. 솔더링 및 조립 지침

솔더링 온도의 절대 최대 정격은 10초 동안 260°C입니다. 이는 일반적인 무연 리플로우 솔더링 프로파일과 일치합니다. 다음 주의사항을 준수해야 합니다:

• 사용된 특정 솔더 페이스트에 대한 권장 리플로우 프로파일을 따르고, 피크 온도 및 액상선 이상의 시간이 장치의 정격을 초과하지 않도록 합니다.
• 핸들링 중 패키지에 과도한 기계적 스트레스를 가하지 않습니다.
• 솔더 브리징 또는 불충분한 필렛을 방지하기 위해 권장 PCB 패드 설계를 준수합니다.
• 보관 조건은 지정된 보관 온도 범위인 -55°C ~ +125°C 이내여야 하며, 표면 실장 장치에 대한 표준 습기 민감도 레벨(MSL) 요구사항에 따라 건조한 환경에 보관해야 합니다(발췌문에는 특정 MSL이 명시되지 않음).

6. 포장 및 주문 정보

6.1 모델 번호 규칙

부품 번호는 다음 형식을 따릅니다: ELS611X(Y)-VG

• EL: 제조사 접두사.
• S611: 기본 부품 번호.
• X: 리드 타입. "P"는 표면 실장 리드 형태를 나타냅니다.
• (Y): 테이프 및 릴 옵션. "TA" 또는 "TB"는 서로 다른 릴 포장 스타일을 지정합니다.
• V: 선택 사항, VDE 승인을 나타냅니다.
• G: 할로겐 프리 구조를 나타냅니다.

예시: ELS611P(TA)-VG는 TA 테이프 및 릴에 실장된 표면 실장 장치로, VDE 승인, 할로겐 프리입니다.

6.2 포장 사양

이 장치는 자동화 조립을 위한 테이프 및 릴 포장으로 제공됩니다. TA 및 TB 옵션 모두 릴당 1000개 단위를 포함합니다. 데이터시트에는 테이프 치수, 포켓 간격 및 릴 크기를 지정하는 다이어그램이 포함되어 있습니다.

6.3 장치 마킹

패키지는 제조 원산지, 장치 번호 및 날짜 코드를 나타내는 코드로 마킹됩니다. 형식은 공장 코드(대만의 경우 "T"), 제조사를 나타내는 "EL", 장치를 나타내는 "S611", 1자리 연도 코드, 2자리 주 코드 및 VDE용 선택적 "V"를 포함합니다.

7. 응용 제안 및 설계 고려사항

7.1 일반적인 응용 회로

주요 응용은 디지털 신호 절연입니다. 일반적인 회로는 다음과 같습니다:

1. 입력 측:순방향 전류 I_F를 설정하기 위해 LED(핀 1 및 3)와 직렬로 연결된 전류 제한 저항. 값은 구동 전압과 원하는 I_F(일반적으로 문턱 전류 I_FT와 최대 정격 사이)를 기반으로 계산됩니다. 고속 동작을 위해서는 고속 드라이버를 권장합니다.
2. 출력 측: V_CC(핀 6)은 원하는 논리 공급 전압(최대 7V)에 연결됩니다. 핀 4 (GND)는 출력 접지에 연결됩니다. 출력 핀 5는 수신 논리 입력에 연결됩니다. 내부 출력 구조에 따라 V_CC로의 외부 풀업 저항이 필요할 수 있습니다(데이터시트 회로도는 능동 풀다운을 보여주어 토템 폴 출력을 시사하지만, 설계는 풀업이 필요한지 확인해야 함).V_CC와 GND 사이의 필수 0.1µF 바이패스 커패시터는 반드시 필요합니다.

7.2 설계 고려사항

• 속도 대 전류:높은 I_F는 전파 지연을 개선하지만 전력 소산을 증가시키고 장기 신뢰성을 감소시킬 수 있습니다. 필요한 속도 및 열 제약 조건을 기반으로 I_F를 최적화합니다.
• 노이즈 내성:높은 공통 모드 과도 내성(5kV/µs)은 모터 드라이브 및 전원 공급 장치와 같은 잡음이 많은 환경에 적합하게 만듭니다. 절연 장벽 주변의 기생 커플링을 최소화하기 위해 적절한 PCB 레이아웃을 보장합니다.
• 부하 고려사항:최대 출력 전류 (I_O) 및 전압 (V_O) 정격을 준수합니다. 출력은 표준 논리 입력(TTL, CMOS)을 구동하도록 설계되었으며 무거운 부하를 구동하도록 설계되지 않았습니다.
• 전원 공급 바이패싱:권장 바이패스 커패시터를 무시하면 발진, 오작동 및 저하된 스위칭 성능을 초래할 수 있습니다.

8. 기술 비교 및 차별화

표준 트랜지스터 출력 포토커플러와 비교하여, ELS611-G의 통합 논리 게이트는 몇 가지 주요 장점을 제공합니다:

• 더 높은 속도:10MBit/s 데이터 속도 및 100ns 미만의 전파 지연은 일반적인 트랜지스터 커플러(종종 µs 범위)보다 상당히 빠릅니다.
• 깨끗한 디지털 출력:논리 게이트 출력은 외부 슈미트 트리거 없이도 날카로운 에지와 명확한 논리 레벨을 제공하여 회로 설계를 단순화합니다.
• 낮은 펄스 왜곡:지정된 펄스 폭 왜곡이 낮아 클록 및 데이터 라인에서 신호 무결성을 보존하는 데 중요합니다.
• 통합 기능성:광검출기, 증폭기 및 논리 게이트를 하나의 칩에 결합하여 외부 부품 수를 줄입니다.

9. 자주 묻는 질문 (기술 파라미터 기반)

1. Q: 출력이 로우로 전환되도록 보장하는 데 필요한 최소 입력 전류는 얼마입니까?
   
   A: 파라미터 I_FT(입력 문턱 전류)는 테스트 조건(V_CC=5.5V, V_O=0.6V, I_OL=13mA)에서 최대값이 5mA입니다. 모든 조건에서 신뢰할 수 있는 스위칭을 보장하기 위해 설계는 이 값보다 큰 I_F를 사용해야 하며, 일반적으로 스위칭 특성에 표시된 대로 7.5mA ~ 10mA입니다.
2. Q: 출력 측에서 3.3V 논리 공급 전압과 함께 사용할 수 있습니까?
   
   A: 예, 이 장치는 내부 논리 게이트가 동작하는 데 필요한 최소 전압(명시적으로 명시되지는 않았지만 일반적으로 CMOS의 경우 ~2.7V ~ 3V)만큼 낮은 V_CC로 동작할 수 있습니다. 출력 논리 레벨은 이 V_CC에 상대적입니다. 최대 V_CC는 7.0V입니다.
3. Q: 0.1µF 바이패스 커패시터는 얼마나 중요합니까?
   
   A: 안정적인 고속 동작에 절대적으로 중요합니다. 이는 출력 단의 스위칭 전류를 위한 로컬 전하 저장소를 제공하여 공급 레일 강하 및 오작동을 일으킬 수 있는 발진을 방지합니다.
4. Q: "저장 가능한 출력"은 무엇을 의미합니까?
   
   A: 출력 상태를 유지할 수 있는 래치 또는 플립플롭 기능을 의미할 가능성이 높습니다. 그러나 PDF의 진리표는 간단한 인버터 기능(입력 H -> 출력 L, 입력 L -> 출력 H)을 보여줍니다. 이 용어는 출력이 짧은 중단 동안 상태를 유지할 수 있거나 우수한 노이즈 내성을 가질 수 있음을 나타낼 수 있습니다. 명확히 하기 위해 회로도를 참조해야 합니다.

10. 실제 응용 예시

시나리오: 산업용 컨트롤러에서 UART 신호 절연.

산업용 마이크로컨트롤러가 115200 보드에서 UART를 통해 주변 장치와 통신합니다. 주변 장치는 별도의 전원 공급 장치에서 다른 그라운드 전위로 동작하여 그라운드 루프의 위험을 초래합니다.

구현:

두 개의 ELS611-G 장치가 사용되며, 하나는 TX 라인(컨트롤러에서 주변 장치로)용이고 다른 하나는 RX 라인(주변 장치에서 컨트롤러로)용입니다. TX 절연기에서 마이크로컨트롤러의 TX 핀은 I_F=10mA로 설정된 전류 제한 저항을 통해 LED를 구동합니다. 절연기의 출력 핀은 주변 장치의 RX 입력에 연결됩니다. 절연기의 V_CC는 주변 장치의 5V 또는 3.3V 레일에서 공급되며 필수 바이패스 커패시터가 함께 사용됩니다. 이 과정은 RX 라인에 대해 반대로 적용됩니다. 이 설정은 그라운드 연결을 차단하고 노이즈 커플링을 방지하며 고속 직렬 데이터의 무결성을 유지하면서 마이크로컨트롤러를 주변 장치 측의 전압 과도 현상으로부터 보호합니다.

11. 동작 원리

포토커플러는 광학적 결합 원리를 사용하여 전기적 절연을 달성합니다. ELS611-G에서는 다음과 같습니다:

1. 입력 측에 인가된 전기 신호는 적외선 발광 다이오드(LED)가 전류에 비례하는 빛을 방출하게 합니다.
2. 이 빛은 패키지 내부의 투명한 절연 장벽(일반적으로 몰드 컴파운드)을 가로질러 전달됩니다.
3. 출력 측에서 실리콘 포토다이오드 또는 포토트랜지스터가 빛을 감지하고 다시 전류로 변환합니다.
4. 이 작은 광전류는 논리 게이트(이 경우 인버터 또는 버퍼일 가능성이 높음)를 포함하는 고속 집적 회로에 의해 증폭 및 처리됩니다. IC는 입력 상태를 복제하지만 전기적으로는 절연된 깨끗한 디지털 출력 신호를 제공합니다.
5. 절연 장벽은 높은 유전 강도(5000Vrms)를 제공하여 양측 간의 전류 흐름 및 전압 차이를 방지합니다.

12. 기술 동향

ELS611-G와 같은 포토커플러의 발전은 전자 분야의 몇 가지 주요 동향에 의해 주도됩니다:

• 증가된 데이터 속도:산업 통신(Profibus, EtherCAT), 자동차 네트워크 및 재생 에너지 시스템에서 더 높은 속도의 절연에 대한 수요는 더 낮은 전파 지연과 더 높은 공통 모드 내성을 가진 장치를 요구합니다.
• 소형화:PCB 공간을 절약하기 위해 동일하거나 더 나은 절연 정격을 가진 더 작은 패키지(예: SOIC-4, LSSOP)로의 지속적인 추세가 있습니다.
• 향상된 통합:향후 장치는 단일 패키지에 데이터 절연과 함께 전원 절연(절연 DC-DC 변환기) 또는 다중 채널 절연기와 같은 더 많은 기능을 통합할 수 있습니다.
• 재료 및 공정 혁신:LED 효율성, 검출기 감도 및 몰드 컴파운드 순도에 대한 발전은 더 낮은 전력 소비, 더 높은 속도 및 향상된 장기 신뢰성에 기여합니다.
• 대체 절연 기술:포토커플러는 성숙한 기술이지만, 커패시티브 절연(SiO2 장벽 사용) 및 자기(GMR) 절연과 같은 기술이 일부 고속, 고밀도 응용 분야에서 경쟁합니다. 각 기술은 속도, 내성, 전력 소비 및 비용 측면에서 고유한 장단점을 가지고 있습니다.