Техническая документация на серию высокоскоростных оптоизоляторов с логическим выходом EL263X в корпусе 8-pin DIP - 10 Мбит/с - гальваническая развязка 5000 В (среднеквадратичное значение)

1. Обзор продукта

Серия EL263X представляет собой семейство высокоскоростных оптоизоляторов (оптопар) с логическим выходом. Эти устройства предназначены для обеспечения гальванической развязки между входными и выходными цепями при одновременной передаче цифровых логических сигналов на высокой скорости. Основная функция заключается в преобразовании входного логического уровня (ВЫСОКИЙ/НИЗКИЙ) в соответствующий, но электрически изолированный, выходной логический уровень.

Основное применение — в сценариях, где критически важны устранение контуров заземления, помехоустойчивость и сдвиг уровней напряжения. Они часто используются в качестве замены импульсных трансформаторов в передаче данных, предоставляя твердотельное, потенциально более надежное и компактное решение.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Серия EL263X разработана для применений, требующих как высокой целостности цифрового сигнала, так и надежной гальванической развязки. Её ключевые преимущества вытекают из конкретных технических параметров.

• Высокоскоростная передача данных:Максимальная скорость передачи данных 10 Мбит/с и время задержки распространения, как правило, около 35-40 нс, делают его подходящим для современных цифровых интерфейсов связи, компьютерной периферии и систем мультиплексирования, где критически важен тайминг.
• Превосходная помехоустойчивость:Минимальная устойчивость к синфазным переходным помехам (CMTI) 10 кВ/мкс (для EL2631) обеспечивает надежную работу в электрически зашумленных средах, таких как импульсные источники питания и приводы двигателей, где большие, быстрые скачки напряжения на барьере развязки являются обычным явлением.
• Высокое напряжение изоляции:Напряжение изоляции 5000 В_{среднеквадратичное значение}обеспечивает надежный барьер безопасности и защиты, подходит для систем промышленной автоматики, медицинского оборудования и других применений, требующих усиленной изоляции.
• Работа в широком температурном диапазоне:Гарантированная работоспособность от -40°C до +85°C делает его пригодным для автомобильных, промышленных и наружных применений, где встречаются экстремальные температуры.
• Совместимость с логическими элементами:Выход напрямую совместим со стандартными логическими семействами (LSTTL, TTL, 5V КМОП), упрощая проектирование интерфейса без необходимости в дополнительных буферных схемах.

Целевой рынок включает разработчиков систем промышленной автоматизации, источников питания (AC-DC, DC-DC преобразователи), систем сбора данных, интерфейсов связи и любых электронных систем, где гальваническая развязка цифровых сигналов необходима для безопасности, снижения уровня шума или сдвига уровней.

2. Подробный анализ технических параметров

Техническое описание содержит исчерпывающие электрические и переключательные характеристики. Детальная интерпретация необходима для правильного проектирования схемы.

2.1 Предельные эксплуатационные характеристики

Это предельные значения, которые ни при каких условиях, даже кратковременно, не должны быть превышены. Работа устройства за пределами этих значений может привести к необратимому повреждению.

• Прямой ток светодиода (I_F):20 мА. Входной инфракрасный светодиод должен управляться через токоограничивающий резистор, чтобы гарантировать, что I_Fостается ниже этого значения.
• Напряжение питания выхода (V_CC):7.0 В. Это абсолютное максимальное напряжение, которое может быть подано на вывод V_CC(вывод 8) выходной стороны.
• Выходное напряжение (V_O):7.0 В. Напряжение на выходных выводах (6, 7) не должно превышать этот предел.
• Напряжение изоляции (V_ISO):5000 В_{среднеквадратичное значение}в течение 1 минуты. Это испытательный параметр диэлектрической прочности барьера изоляции между входной (выводы 1-4) и выходной (выводы 5-8) частями.
• Температура пайки (T_SOL):260°C в течение 10 секунд. Это определяет профиль оплавления при пайке, указывая максимальную температуру, которую может выдержать корпус.

2.2 Электрические и передаточные характеристики

Эти параметры определяют работу устройства в нормальных условиях эксплуатации (T_A= -40°C до 85°C).

• Прямое напряжение (V_F):Обычно 1.4В при I_F=10мА. Используется для расчета входного последовательного резистора при управлении от источника напряжения (например, R_{ограничивающий}= (V_{источника}- V_F) / I_F).
• Выходное напряжение низкого уровня (V_OL):Максимум 0.6В при I_F=5мА и I_OL=13мА. Это определяет способность выхода поглощать ток, сохраняя при этом корректное напряжение логического НИЗКОГО уровня.
• Пороговый ток включения (I_FT):Максимум 5мА. Это входной ток, необходимый для гарантированного переключения выхода в состояние логического НИЗКОГО уровня (V_O <0.6В). В проекте следует использовать I_Fзначительно выше этого значения (например, 7.5мА или 10мА, как указано в условиях испытаний) для запаса по помехоустойчивости.
• Токи потребления (I_CCH, I_CCL):Ток покоя выходной ИС. I_CCL(выход НИЗКИЙ) немного выше (~14.5мА типично), чем I_CCH(~12.5мА типично), потому что выходной транзистор активен.

2.3 Переключательные характеристики

Эти параметры критически важны для анализа временных характеристик в высокоскоростных схемах. Условия испытаний: V_CC=5В, I_F=7.5мА, C_L=15пФ, R_L=350Ом.

• Время задержки распространения (t_PLH, t_PHL):Время от момента, когда входной ток пересекает 3.75мА, до момента, когда выходное напряжение пересекает 1.5В. t_PLH(вход ВЫСОКИЙ-НИЗКИЙ -> выход НИЗКИЙ-ВЫСОКИЙ) типично 35 нс, максимум 100 нс. t_PHLтипично 40 нс, максимум 100 нс. Асимметрия (типично 5 нс) вносит вклад в искажение длительности импульса.
• Искажение длительности импульса (PWD):|t_PHL- t_PLH|, максимум 35 нс. Это разница во времени задержки распространения, которая может привести к отличию длительности выходного импульса от входного. Критически важно при передаче тактовых или точных синхросигналов.
• Время нарастания/спада (t_r, t_f): t_r(от 10% до 90%) типично 40 нс. t_f(от 90% до 10%) типично 10 нс. Более быстрое время спада характерно для схем с активным подтягиванием к земле.
• Устойчивость к синфазным переходным помехам (CMTI):Это ключевой параметр изоляции. EL2631 гарантирует минимум 10 000 В/мкс (типично 20 000 В/мкс), в то время как EL2630 гарантирует 5 000 В/мкс. Он измеряет устойчивость выходного состояния к быстрым переходным процессам напряжения между землями входа и выхода. Высокий CMTI предотвращает ложные переключения в зашумленных средах.

3. Анализ характеристических кривых

Хотя в предоставленном отрывке PDF на странице 5 упоминаются "Типичные электрооптические характеристические кривые", сами графики в тексте не приведены. Как правило, такие кривые для оптопары включают:

• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока:Показывает эффективность связанного выходного тока относительно тока входного светодиода, хотя для логического выхода это внутренний параметр ИС.
• Время задержки распространения в зависимости от температуры:Иллюстрирует, как параметры временных характеристик сигнала изменяются в рабочем диапазоне температур.
• Прямое напряжение в зависимости от температуры:Показывает отрицательный температурный коэффициент (V_F/T_A≈ -1.8 мВ/°C), что важно для проектирования схемы с постоянным током.
• Выходное напряжение в зависимости от выходного тока (сток/исток):Детализирует возможности выходного драйвера.

Разработчикам следует обратиться к полному техническому описанию от производителя для получения этих графиков, чтобы понять границы производительности и условия снижения номинальных характеристик.

4. Механическая информация, упаковка и монтаж

4.1 Распиновка и принципиальная схема

Устройство выполнено в стандартном 8-выводном корпусе DIP (Dual In-line Package).

• Распиновка:
  1. Анод 1
  2. Катод 1
  3. Катод 2
  4. Анод 2
  5. Земля (GND)
  6. Выходное напряжение 2 (V_OUT2)
  7. Выходное напряжение 1 (V_OUT1)
  8. Напряжение питания (V_CC)
• Таблица истинности (положительная логика):Вход ВЫСОКИЙ = Выход НИЗКИЙ; Вход НИЗКИЙ = Выход ВЫСОКИЙ. Двойные выводы анода/катода позволяют гибко подключать входной светодиод.
• Критически важный блокировочный конденсатор:Керамический конденсатор 0.1 мкФ (или больше) с хорошими высокочастотными характеристикамиобязательнодолжен быть подключен между V_CC(вывод 8) и GND (вывод 5), размещен как можно ближе к выводам устройства. Это необходимо для стабильной работы и минимизации коммутационных помех.

4.2 Пайка и обращение

Предельная температура пайки составляет 260°C в течение 10 секунд. Это соответствует стандартному профилю бессвинцовой пайки оплавлением. При волновой или ручной пайке следует контролировать время контакта и температуру, чтобы предотвратить повреждение корпуса. При обращении следует соблюдать стандартные меры предосторожности от электростатического разряда (ESD).

5. Рекомендации по применению и особенности проектирования

5.1 Типовые схемы включения

EL263X является универсальным. Ключевые области применения включают:

• Гальваническая развязка цифровых интерфейсов:Развязка линий UART, SPI или I2C между микроконтроллером и периферийным устройством в разных доменах питания или в зашумленной среде.
• Обратная связь в импульсных источниках питания:Развязка сигнала ошибки обратной связи со вторичной (выходной) стороны на контроллер первичной стороны, обеспечивая безопасную изоляцию и помехоустойчивость от переходных процессов переключения мощности.
• Разрыв контура заземления в линиях данных:Предотвращение циркулирующих токов и помех в линиях связи между системами с раздельными землями.
• Преобразователь логических уровней с развязкой:Сдвиг уровней напряжения (например, с 3.3В на 5В) с одновременным обеспечением гальванической развязки.

5.2 Критически важные аспекты проектирования

• Установка входного тока:Выберите I_Fисходя из требуемой скорости и запаса. Условие испытаний — 7.5мА. Использование 10-16 мА обеспечивает более быстрое переключение и лучший запас по помехоустойчивости, но увеличивает рассеиваемую мощность. Всегда используйте последовательный резистор: R_IN= (V_{УПРАВЛЕНИЯ}- V_F) / I_F. Помните, что V_Fуменьшается с ростом температуры.
• Выходная нагрузка:Испытательная нагрузка — 350Ом к V_CC. Выход может поглощать минимум 13мА (условие I_OL) при поддержании V_OL <0.6В. Не превышайте максимальный выходной ток (I_O= 50 мА).
• Развязка по питанию:Блокировочный конденсатор 0.1 мкФ являетсяобязательным условием. Его отсутствие может привести к генерации, ложным срабатываниям или ухудшению характеристик CMTI.
• Топология платы для высокого CMTI:Для достижения номинального CMTI минимизируйте паразитную емкость через барьер изоляции. Держите входные и выходные дорожки физически разделенными на печатной плате. Соблюдайте рекомендуемые производителем расстояния утечки и зазоры для 5000В_{среднеквадратичное значение} isolation.
• Выбор между EL2630 и EL2631:Основное различие — гарантированный CMTI. Используйте EL2631 в приложениях с чрезвычайно высоким уровнем шума dV/dt, например, в приводах двигателей или мощных инверторах. EL2630 подходит для менее требовательных сред.

6. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными оптопарами серии 4N25/4N35 (с транзисторным выходом), EL263X предлагает решающие преимущества для цифровых систем:

• Скорость:10 Мбит/с против типичных<100 кбит/с для оптопар с транзисторным выходом.
• Тип выхода:Логический выход с активной подтяжкой вверх и вниз обеспечивает четкие, быстрые фронты и прямую логическую совместимость, в отличие от выхода с открытым коллектором, который требует внешний резистор подтяжки и работает медленнее.
• CMTI:Указанный и гарантированный высокий CMTI (10 кВ/мкс) является критически важным показателем для промышленной надежности, часто не указываемым или значительно более низким в базовых оптопарах.

По сравнению с другими высокоскоростными оптопарами или цифровыми изоляторами (на основе емкостной или магнитной связи), оптопары, такие как EL263X, предлагают преимущество, основанное на хорошо изученной оптической технологии с высокой собственной устойчивостью к магнитным полям.

7. Часто задаваемые вопросы (на основе параметров)

В: Какую максимальную скорость передачи данных я могу достичь?

О: Устройство характеризуется для работы на скорости 10 Мбит/с. Ограничивающими факторами являются время задержки распространения и искажение длительности импульса. Для меандра с коэффициентом заполнения 50% максимальная частота приблизительно равна 1/(2 * t_PHL) или 1/(2 * t_PLH), в зависимости от того, что меньше. Используя максимальные задержки (100 нс), получаем ~5 МГц. Однако для данных без возврата к нулю (NRZ) скорость 10 Мбит/с является корректной.

В: Почему блокировочный конденсатор обязателен?

О: Высокоскоростное переключение внутреннего выходного каскада вызывает внезапные всплески тока на линии V_CC. Без локального низкоиндуктивного конденсатора эти всплески могут вызвать просадку или всплеск внутреннего напряжения питания, что приведет к нестабильной работе, снижению помехоустойчивости и несоответствию спецификации CMTI.

В: Могу ли я управлять входом напрямую с вывода микроконтроллера?

О: Да, но выобязательнодолжны использовать токоограничивающий резистор. Типичный вывод микроконтроллера на 3.3В или 5В может выдавать/поглощать достаточный ток. Например, чтобы получить I_F≈ 10мА от вывода 3.3В: R = (3.3В - 1.4В) / 0.01А = 190Ом (используйте стандартное значение 180Ом или 200Ом). Всегда проверяйте возможности вывода МК по току.

В: Что означает функция "стробируемый выход"?

О: Это относится к возможности перевода выхода в состояние высокого импеданса. Хотя предоставленная таблица истинности не показывает функцию отключения, некоторые оптопары с логическим выходом имеют вывод разрешения выхода. В описании EL263X это упоминается, но распиновка и таблица не показывают для этого специального вывода. Разработчикам следует уточнить реализацию этой функции в конкретной модификации.

8. Практический пример проектирования

Сценарий:Гальваническая развязка сигнала UART 1 Мбит/с между сенсорным узлом на 3.3В и системным контроллером на 5В в промышленных условиях с помехами от двигателей.

Этапы проектирования:

1. Выбор компонента:Выберите EL2631 из-за более высокого гарантированного CMTI (10 кВ/мкс) для противостояния помехам от близлежащих двигателей.
2. Входная цепь:Вывод TX сенсора на 3.3В управляет входом оптопары. Рассчитайте последовательный резистор для I_F= 10мА: R_IN= (3.3В - 1.4В) / 0.01А = 190Ом. Используйте резистор 180Ом. Подключите анод (вывод 1 или 4) к резистору, катод (вывод 2 или 3) к земле сенсора.
3. Выходная цепь:Подайте V_CC= 5В со стороны контроллера. Установите керамический конденсатор 0.1 мкФ непосредственно между выводом 8 (V_CC) и выводом 5 (GND). Подключите выходной вывод (6 или 7) к выводу RX контроллера на 5В. При необходимости может быть добавлен последовательный резистор (например, 100Ом) для ограничения тока, но для логического входа он не является строго обязательным.
4. Топология печатной платы:Разместите оптопару так, чтобы она пересекала разрыв изоляции на печатной плате. Обеспечьте расстояние утечки/зазор >8мм (сверьтесь со стандартами безопасности для 5000В_{среднеквадратичное значение}) между вс медными полигонами, компонентами и дорожками входной и выходной сторон. Держите выводы блокировочного конденсатора как можно короче.
5. Проверка:При такой конфигурации логическая ЕДИНИЦА (3.3В) с выхода TX сенсора включит светодиод, что приведет к переходу выхода в состояние НОЛЬ (<0.6В), который контроллер на 5В воспримет как логический НОЛЬ. Сигнал инвертируется, что при необходимости можно скорректировать в программном обеспечении.

9. Принцип работы

EL263X работает по принципу оптической связи. Электрический входной сигнал управляет инфракрасным светоизлучающим диодом (LED). При прямом смещении светодиод излучает инфракрасный свет. Этот свет проходит через прозрачный барьер изоляции (обычно формованный пластиковый зазор). На другой стороне монолитный кремниевый фотодетектор и интегральная схема обнаруживают этот свет. ИС включает в себя усилитель с высоким коэффициентом усиления, триггер Шмитта для помехоустойчивости и выходной каскад драйвера с двухтактным выходом. Драйвер активно подтягивает выходной вывод к ВЫСОКОМУ уровню (к V_CC) или НИЗКОМУ уровню (к GND) в зависимости от наличия или отсутствия света, создавая чистый, буферизованный логический сигнал, электрически изолированный от входа. Барьер изоляции обеспечивает высокую электрическую прочность и предотвращает образование контуров заземления.

10. Тенденции развития технологии

Технология оптопар продолжает развиваться. Тенденции, актуальные для таких устройств, как EL263X, включают:

• Более высокие скорости:Текущие разработки направлены на достижение скоростей передачи данных выше 50 Мбит/с и даже в диапазон 100+ Мбит/с для современных высокоскоростных последовательных интерфейсов.
• Снижение энергопотребления:Снижение требуемого тока входного светодиода (I_F) и тока потребления выхода (I_CC) для соответствия требованиям портативных и энергоэффективных устройств.
• Повышенная интеграция:Объединение нескольких каналов изоляции (двойных, четверных) в одном корпусе для экономии места на плате и снижения стоимости в многолинейных интерфейсах, таких как SPI или изолированные GPIO.
• Улучшенный CMTI:По мере увеличения скорости переключения силовой электроники (например, с транзисторами SiC и GaN) растет спрос на изоляторы с еще более высокими значениями CMTI (25-100 кВ/мкс) для сохранения надежности.
• Миниатюризация корпусов:Переход от DIP-корпусов для монтажа в отверстия к вариантам для поверхностного монтажа, таким как SOIC-8 и даже более компактным ширококорпусным SOIC, для размещения на более плотных печатных платах.

Серия EL263X занимает устоявшуюся нишу производительности, предлагая надежный баланс скорости, прочности изоляции и помехоустойчивости для широкого спектра промышленных и коммуникационных применений.