Ficha Técnica da Série ELS3120-G - Fotocoplador Acionador de Porta - SDIP 6 Pinos - Corrente de Saída 2.5A - Tensão de Isolamento 5000Vrms

1. Visão Geral do Produto

A Série ELS3120-G é um fotocoplador de alto desempenho, em encapsulamento SDIP (Single-Dual In-line Package) de 6 pinos, especificamente projetado para acionar as portas de Transistores Bipolares de Porta Isolada (IGBTs) e Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFETs) de potência. Ele integra um Diodo Emissor de Luz (LED) infravermelho opticamente acoplado a um circuito integrado monolítico que apresenta um robusto estágio de saída de potência. Uma característica fundamental do projeto é um escudo interno que garante alta imunidade a ruídos transitórios de modo comum, tornando-o excepcionalmente confiável em ambientes de conversão de energia eletricamente ruidosos. O dispositivo é caracterizado por sua capacidade de tensão de saída "rail-to-rail", permitindo ligar e desligar completamente o interruptor de potência acionado.

1.1 Vantagens Principais e Mercado-Alvo

A principal vantagem do ELS3120 reside na combinação de alta capacidade de acionamento de corrente de saída (2.5A de pico) e excelentes características de isolamento (5000Vrms). Isso o torna uma solução ideal para aplicações que requerem isolamento elétrico seguro e robusto entre circuitos de controle de baixa tensão e estágios de potência de alta tensão. Seu desempenho garantido em uma ampla faixa de temperatura, de -40°C a +110°C, assegura confiabilidade em condições exigentes. O dispositivo está em conformidade com requisitos livres de halogênio (Br<900 ppm, Cl<900 ppm, Br+Cl<1500 ppm), é livre de chumbo e compatível com RoHS. Ele recebeu aprovações dos principais órgãos internacionais de normas de segurança, incluindo UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO e CQC. O mercado-alvo inclui acionadores de motores industriais, fontes de alimentação ininterruptas (UPS), inversores solares e várias aplicações em eletrodomésticos, como aquecedores de ambiente.

2. Análise Aprofundada dos Parâmetros Técnicos

2.1 Especificações Máximas Absolutas

O dispositivo é projetado para operar dentro de limites rigorosos para garantir longevidade e evitar danos. As especificações máximas absolutas principais incluem: uma corrente direta contínua (IF) de 25mA para o LED de entrada, com capacidade de corrente direta pulsada (IFP) de 1A por durações muito curtas (≤1μs). A tensão reversa (VR) para o LED é limitada a 5V. No lado da saída, a corrente de saída de pico (IOPH/IOPL) é de ±2.5A, e a tensão de saída de pico (VO) em relação a VEE não deve exceder 30V. A tensão de alimentação (VCC - VEE) pode variar de 15V a 30V. O dispositivo pode suportar uma tensão de isolamento (VISO) de 5000Vrms por um minuto. A dissipação total de potência (PT) é de 300mW. A faixa de temperatura de operação (TOPR) é de -40°C a +110°C, e a temperatura de armazenamento (TSTG) varia de -55°C a +125°C. A temperatura de soldagem (TSOL) é especificada em 260°C por 10 segundos.

2.2 Características Eletro-Ópticas

Esta seção detalha os parâmetros de desempenho garantidos sob condições operacionais especificadas em toda a faixa de temperatura. Para a entrada, a tensão direta máxima (VF) é de 1.8V a uma corrente direta (IF) de 10mA. As características de saída são divididas em corrente de alimentação e características de transferência. As correntes de alimentação de nível alto e baixo (ICCH e ICCL) têm um valor típico de cerca de 1.4-1.5mA e um máximo de 3.2mA quando VCC=30V. As características de transferência são críticas para o acionamento da porta. A corrente de saída de nível alto (IOH) é especificada como um mínimo de -1A (corrente de fornecimento) quando VCC=30V e a saída está 3V abaixo de VCC, e -2.5A mínimo quando a saída está 6V abaixo de VCC. Por outro lado, a corrente de saída de nível baixo (IOL) é um mínimo de 1A (corrente de absorção) quando a saída está 3V acima de VEE, e 2.5A mínimo quando está 6V acima de VEE. A corrente de limiar de entrada (IFLH) para iniciar a comutação é um máximo de 5mA. O dispositivo também incorpora proteção de Bloqueio por Baixa Tensão (UVLO), com limiares típicos em torno de 11-13.5V para VUVLO+ (ligar) e 10-12.5V para VUVLO- (desligar), prevenindo mau funcionamento quando a tensão de alimentação é insuficiente.

2.3 Características de Comutação

O desempenho dinâmico é vital para uma comutação de potência eficiente. Os parâmetros principais medidos sob condições padrão (IF=7-16mA, VCC=15-30V, Cg=10nF, Rg=10Ω, f=10kHz) incluem: tempos de atraso de propagação (tPLH e tPHL) com um valor típico de 150ns e um máximo de 300ns. Os tempos de subida e descida da saída (tR e tF) são tipicamente 80ns. A distorção de largura de pulso, definida como |tPHL – tPLH|, tem um máximo de 100ns, indicando boa simetria. A variação de atraso de propagação (tPSK), que é a variação no atraso entre múltiplas unidades em condições idênticas, é um máximo de 150ns. Um recurso notável é a Imunidade Transitória de Modo Comum (CMTI), que é garantida como um mínimo de ±25 kV/μs para ambos os estados de saída alto (CMH) e baixo (CML). Esta alta classificação CMTI é crucial para rejeitar transientes de tensão rápidos através da barreira de isolamento que poderiam causar comutação errônea na saída.

3. Análise das Curvas de Desempenho

A ficha técnica fornece várias curvas características típicas que oferecem uma visão mais profunda do comportamento do dispositivo sob condições variáveis. A Figura 1 mostra como a tensão direta do LED (VF) diminui com o aumento da temperatura ambiente (TA) para diferentes correntes diretas, o que é importante para o projeto térmico do circuito de entrada. A Figura 2 traça a queda de tensão de saída alta (VOH - VCC) versus a corrente de saída alta (IOH) em diferentes temperaturas, ilustrando a resistência de ligação efetiva do transistor de saída do lado alto. A Figura 3 mostra como essa queda de tensão muda com a temperatura a uma corrente de carga fixa. Da mesma forma, a Figura 4 e a Figura 5 descrevem a tensão de saída baixa (VOL) versus a corrente de saída baixa (IOL) e sua variação com a temperatura, caracterizando a capacidade de absorção do lado baixo. A Figura 6 representa graficamente a corrente de alimentação (ICCH e ICCL) versus a temperatura ambiente, mostrando um consumo de corrente quiescente estável. A Figura 7 (implícita no fragmento do PDF) provavelmente mostra a corrente de alimentação versus a tensão de alimentação, indicando a dependência do consumo de energia do dispositivo em relação ao VCC.

4. Informações Mecânicas e de Encapsulamento

O dispositivo é acondicionado em um encapsulamento SDIP (Single/Dual In-line Package) de 6 pinos. A configuração dos pinos é a seguinte: Pino 1: Ânodo do LED de entrada; Pino 2: Sem Conexão (NC); Pino 3: Cátodo do LED de entrada; Pino 4: VEE (Alimentação negativa de saída/terra); Pino 5: VOUT (Saída de acionamento da porta); Pino 6: VCC (Alimentação positiva de saída). Uma nota de aplicação crítica especifica que um capacitor de desacoplamento de 0.1μF deve ser conectado entre os pinos 4 (VEE) e 6 (VCC) o mais próximo possível do corpo do dispositivo para garantir operação estável e minimizar a indutância da linha de alimentação durante a comutação de alta corrente.

5. Diretrizes de Aplicação

5.1 Circuitos de Aplicação Típicos

A aplicação principal é como um acionador de porta isolado para IGBTs e MOSFETs de potência em configurações de ponte (por exemplo, meia-ponte, ponte completa). O fotocoplador fornece o isolamento necessário entre o microcontrolador ou controlador PWM (lado de baixa tensão) e a porta flutuante do interruptor do lado alto (lado de alta tensão). A corrente de pico de 2.5A permite o carregamento e descarregamento rápido da capacitância da porta do dispositivo de potência, minimizando as perdas por comutação.

5.2 Considerações de Projeto

Vários fatores devem ser considerados para uma operação confiável. O valor do resistor de porta (Rg) deve ser escolhido com base na velocidade de comutação necessária e para evitar oscilações na porta ou dV/dt excessivo. O capacitor de desacoplamento de 0.1μF recomendado entre VCC e VEE é obrigatório para fornecer uma fonte local de baixa impedância para as altas correntes de pico. O recurso UVLO protege o dispositivo de potência, mas deve ser considerado no sequenciamento da alimentação. A imunidade transitória de modo comum é alta, mas o layout da PCB permanece crítico: o gap de isolamento entre os circuitos de entrada e saída deve ser mantido, e os loops de alta dV/dt devem ser mantidos pequenos e afastados dos trilhos sensíveis da entrada.

6. Comparação e Diferenciação Técnica

Comparado a fotocopladores básicos ou alguns circuitos integrados acionadores de porta sem isolamento, o ELS3120 oferece um estágio de saída de alta corrente dedicado, integrado com um opto-isolador. Seus principais diferenciais são a corrente de saída de pico de 2.5A, que é maior do que muitos acionadores baseados em fotocopladores padrão, e a alta CMTI garantida de 25 kV/μs, que é essencial para aplicações modernas de comutação rápida com carbeto de silício (SiC) ou nitreto de gálio (GaN). A ampla faixa de temperatura de operação e a multitude de aprovações de segurança internacionais o tornam adequado para os mercados industrial e de eletrodomésticos, onde confiabilidade e conformidade são primordiais.

7. Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Qual é o propósito do escudo interno?

R: O escudo interno aumenta significativamente a Imunidade Transitória de Modo Comum (CMTI) ao reduzir o acoplamento capacitivo entre a entrada e a saída, prevenindo o disparo falso de transientes de tensão rápidos através da barreira de isolamento.

P: Posso usar uma única fonte de alimentação para VCC?

R: O estágio de saída requer uma tensão de alimentação (VCC - VEE) entre 15V e 30V. Para acionar um IGBT/MOSFET de canal N cuja fonte está conectada a um terra de potência, VEE é tipicamente conectado a esse mesmo terra, e VCC é uma tensão positiva em relação a ele, frequentemente +15V ou +20V.

P: Por que o capacitor de desacoplamento de 0.1μF é obrigatório?

R: Durante o instante de comutação, o acionador fornece ou absorve vários amperes de corrente muito rapidamente. A indutância parasita dos trilhos da PCB até um capacitor bulk distante causaria um grande pico de tensão, potencialmente causando mau funcionamento ou excedendo as especificações máximas absolutas do dispositivo. O capacitor local fornece a corrente instantânea.

P: O que acontece se a tensão de alimentação (VCC) cair abaixo do limiar UVLO?

R: O circuito de Bloqueio por Baixa Tensão (UVLO) desabilitará a saída, forçando-a para um estado conhecido (tipicamente baixo), o que desliga o IGBT/MOSFET acionado. Isso impede que o dispositivo de potência opere em uma região linear com alta tensão e corrente, o que causaria aquecimento excessivo e falha.

8. Exemplo de Aplicação Prática

Um caso de uso comum é em um inversor de acionamento de motor trifásico. Seis dispositivos ELS3120 poderiam ser usados para acionar os seis IGBTs (três do lado alto e três do lado baixo). O microcontrolador gera seis sinais PWM, cada um conectado ao ânodo (via um resistor limitador de corrente) e ao cátodo do LED de entrada de um ELS3120. A saída de cada ELS3120 é conectada à porta do seu respectivo IGBT através de um pequeno resistor de porta. Os acionadores do lado alto têm seus pinos VCC conectados a fontes de alimentação flutuantes isoladas (circuitos bootstrap ou conversores DC-DC isolados), enquanto seus pinos VEE se conectam à saída de fase (o emissor do IGBT). Esta configuração fornece isolamento completo tanto para o circuito de controle quanto para o de proteção da alta tensão do barramento CC.

9. Princípio de Operação

O dispositivo opera com base no princípio do isolamento óptico. Uma corrente elétrica aplicada ao LED infravermelho de entrada faz com que ele emita luz. Esta luz é detectada por um fotodiodo integrado ao CI do lado da saída. O sinal óptico recebido é convertido novamente em um sinal elétrico, que é então processado por circuitos internos (incluindo amplificadores e um estágio de saída totem-pole) para acionar o pino VOUT. A vantagem chave é que o sinal e a potência são transferidos via luz, criando uma barreira de isolamento galvânico que pode suportar vários quilovolts, quebrando malhas de terra e protegendo a eletrônica de controle sensível de transientes de alta tensão no lado de potência.

10. Tendências da Indústria

A demanda por fotocopladores acionadores de porta como o ELS3120 é impulsionada por tendências na eletrônica de potência. Há um impulso contínuo para maior densidade de potência, eficiência e frequências de comutação, particularmente com a adoção de semicondutores de banda larga (SiC e GaN). Essas tendências exigem acionadores de porta com maior corrente de pico, velocidades de comutação mais rápidas e classificações CMTI ainda mais altas. Além disso, o aumento dos requisitos de segurança funcional em aplicações automotivas (por exemplo, ISO 26262) e industriais está levando ao desenvolvimento de acionadores com recursos de diagnóstico integrados e classificações de isolamento reforçado. A tendência para a miniaturização também pressiona a tecnologia de encapsulamento, embora o encapsulamento SDIP permaneça popular devido às suas distâncias de rastreamento e escoamento necessárias para o isolamento de alta tensão.