Техническая документация на оптопару серии ELM8XL-G - Корпус SOP 5 выводов - Питание 3.3В/5В - Скорость 15Мбит/с

1. Обзор изделия

Серия ELM8XL-G представляет собой семейство высокоскоростных оптопар (оптоизоляторов) с логическим выходом, предназначенных для современных применений в области цифровой изоляции. Основная функция данного устройства — обеспечение гальванической развязки между входной и выходной цепями при одновременной передаче цифровых логических сигналов на высокой скорости. Оно объединяет инфракрасный светодиод (LED) на входной стороне, который оптически связан с КМОП-детекторной интегральной схемой на выходной стороне. Этот метод оптической связи устраняет электрическое соединение, обеспечивая высоковольтную изоляцию и помехозащищенность, что критически важно в системах с разными потенциалами земли или в условиях электрических помех.

Устройство выполнено в компактном корпусе для поверхностного монтажа SOP с 5 выводами, что делает его подходящим для автоматизированных процессов сборки и конструкций печатных плат с ограниченным пространством. Его основная конструктивная цель — обеспечение надежной высокоскоростной передачи данных через барьер изоляции, выступая в качестве прямой замены импульсных трансформаторов во многих применениях, предлагая при этом преимущества в размере, стоимости и степени интеграции.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Серия ELM8XL-G предлагает несколько ключевых преимуществ, определяющих её позицию на рынке. Первое — этовысокоскоростные возможности, поддержка скорости передачи данных до 15 мегабит в секунду (Мбит/с). Это делает её подходящей для современных интерфейсов связи и быстрых управляющих сигналов. Второе — этосовместимость с двумя напряжениями питания, корректная работа как с уровнями логики КМОП 3.3В, так и 5В, что обеспечивает гибкость проектирования для систем со смешанным напряжением. Третье — этовысокий уровень изоляциив 3750 В_эфф, гарантирующий безопасность и надежность в применениях, требующих защиты от высоковольтных переходных процессов или разности потенциалов земли.

Устройство также производится в соответствии со строгими экологическими и стандартами безопасности. Ононе содержит галогенов(Бром <900ppm, Хлор <900ppm, Br+Cl <1500ppm), соответствует регламенту ЕС REACH, а также не содержит свинца и соответствует директиве RoHS. Оно имеет одобрения ведущих международных сертификационных агентств, включая UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO и FIMKO, что крайне важно для продукции, ориентированной на глобальные рынки, особенно в промышленном оборудовании, телекоммуникациях и вычислительной технике.

Целевые применения разнообразны и сосредоточены вокруг необходимости изоляции сигналов:

• Линейные приемники и передача данных:Изоляция линий последовательной связи (RS-232, RS-485 и т.д.) для предотвращения контурных токов и помех.
• Мультиплексирование данных:Обеспечение изоляции в системах с мультиплексированной шиной данных.
• Импульсные источники питания:Изоляция сигналов обратной связи в обратноходовых или других изолированных топологиях преобразователей.
• Замена импульсных трансформаторов:Предложение более компактного и интегрированного решения для изоляции сигналов, традиционно выполняемой трансформаторами.
• Интерфейсы периферийных устройств компьютера:Изоляция сигналов к принтерам, промышленным устройствам ввода-вывода и другой периферии.
• Высокоскоростная изоляция логической земли:Разделение цифровых земель между подсистемами, например, между микроконтроллером и драйверами двигателей, для предотвращения связи по помехам.

2. Подробный анализ технических параметров

Глубокое понимание электрических и коммутационных характеристик имеет решающее значение для успешного применения оптопары ELM8XL-G в схемотехническом проектировании.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Работа в таких условиях не гарантируется и должна быть исключена.

• Прямой ток на входе (I_F):максимум 15 мА. Ток, управляющий внутренним светодиодом, не должен превышать это значение.
• Обратное напряжение на входе (V_R):максимум 5 В. Обратное напряжение, приложенное к светодиоду, должно быть ограничено.
• Рассеиваемая мощность на входе (P_D):максимум 35 мВт для входной стороны.
• Рассеиваемая мощность на выходе (P_O):максимум 85 мВт для выходной КМОП ИС.
• Выходной ток (I_O):максимальный ток стока/истока с выходного вывода 20 мА.
• Напряжение питания (V_CC):максимум 5.5 В. Это абсолютное максимальное напряжение, которое может быть подано на вывод питания выходной стороны.
• Суммарная рассеиваемая мощность (P_T):максимум 100 мВт для всего устройства.
• Напряжение изоляции (V_ISO):3750 В_эффв течение 1 минуты. Это параметр безопасности, испытанный в специфических условиях (выводы 1 и 3 замкнуты, выводы 4, 5 и 6 замкнуты) при относительной влажности 40-60%.
• Рабочая температура (T_OPR):от -40°C до +85°C. Гарантируется соответствие опубликованным спецификациям в этом диапазоне.
• Температура хранения (T_STG):от -55°C до +125°C.
• Температура пайки (T_SOL):260°C в течение 10 секунд, соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением.

Примечание для проектирования:В техническом описании указано, что питание V_CCдолжно быть развязано конденсатором 0.1мкФ или больше (керамическим или танталовым с хорошими высокочастотными характеристиками), размещенным как можно ближе к выводам V_CCи GND устройства. Это критически важно для стабильной работы и помехозащищенности высокоскоростного КМОП выходного каскада.

2.2 Электрические характеристики

Эти параметры определяют гарантированные характеристики устройства в нормальных рабочих условиях (T_A=25°C, если не указано иное).

2.2.1 Входные характеристики (сторона светодиода)

• Прямое напряжение (V_F):Типично 1.4В, максимум 1.8В при прямом токе (I_F) 8мА. Используется для расчета необходимого значения токоограничивающего резистора на входной стороне: R_огр= (V_пит- V_F) / I_F.
• Обратное напряжение (V_R):минимум 5.0В. Светодиод может выдерживать до 5В в обратном смещении.
• Температурный коэффициент V_F(ΔV_F/ΔT_A):Приблизительно -1.7 мВ/°C. Прямое напряжение немного снижается с ростом температуры.
• Входная емкость (C_IN):Типично 60 пФ. Влияет на высокочастотную характеристику входной цепи управления.

2.2.2 Выходные характеристики (сторона КМОП ИС)

• Ток потребления (I_CCH, I_CCL):Типично 1.3мА, максимум 6мА, независимо от того, находится ли выход в состоянии высокого (I_F=0мА) или низкого (I_F=8мА) уровня. Это ток покоя, потребляемый выходной ИС от V_CC.
• Выходное напряжение высокого уровня (V_OH):Для питания 3.3В, V_OHгарантированно не менее V_CC- 1В (т.е. 2.3В) и типично V_CC- 0.3В (3.0В) при токе стока 4мА. Для питания 5В, это V_CC- 1В (4.0В) мин., типично V_CC- 0.2В (4.8В). Это обеспечивает надежные уровни логической единицы.
• Выходное напряжение низкого уровня (V_OL):Для питания 3.3В, V_OLтипично 0.21В, максимум 0.6В при токе истока 4мА (I_F=8мА). Для питания 5В, типично 0.17В, макс. 0.6В. Это обеспечивает надежные уровни логического нуля.
• Пороговый ток на входе (I_FT):Ток светодиода, необходимый для гарантированного получения логического нуля на выходе. Типично 2.5мА (макс. 5мА) при V_CC=3.3В с очень легкой нагрузкой (I_OL=20мкА). В проекте следует использовать I_Fзначительно выше этого значения (например, 8мА, как указано в условиях испытаний) для надежного переключения и запаса по помехоустойчивости.

2.3 Коммутационные характеристики

Эти параметры определяют временные характеристики, которые критичны для высокоскоростной передачи данных.

• Задержка распространения до высокого уровня на выходе (t_PHL):Время от выключения входного светодиода (I_Fпереходит от 8мА к 0мА) до достижения выходом допустимого логического ВЫСОКОГО уровня. Типично 30нс (макс. 65нс) при V_CC=3.3В, и типично 33нс при V_CC=5В.
• Задержка распространения до низкого уровня на выходе (t_PLH):Время от включения входного светодиода (I_Fпереходит от 0мА к 8мА) до достижения выходом допустимого логического НИЗКОГО уровня. Типично 48нс (макс. 65нс) при V_CC=3.3В, и типично 52нс при V_CC=5В.
• Искажение длительности импульса (|t_PHL– t_PLH|):Абсолютная разница между двумя задержками распространения. Это критически важно для сохранения целостности длительностей импульсов. Типично 20нс (макс. 50нс) при 3.3В и типично 22нс при 5В. Чем меньше значение, тем лучше.
• Время нарастания/спада на выходе (t_r, t_f):Типично по 7нс каждое. Определяет скорость фронтов выходного сигнала.
• Помехоустойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI):Это ключевой параметр изоляции. Он измеряет способность устройства игнорировать быстрые переходные процессы напряжения между землями входа и выхода. Указаны две модификации: M80L с минимумом 5,000 В/мкс, и M81L с минимумом 10,000 В/мкс. Испытания проводятся с синфазным напряжением (V_CM) размахом 1000В и гарантируют, что состояние выхода не будет ложно изменяться из-за помех.

3. Механическая информация и данные по корпусу

3.1 Расположение выводов и таблица истинности

Устройство использует корпус SOP с 5 выводами, хотя упоминаются шесть номеров выводов (1-6, при этом вывод 2, предположительно, не подключен или является внутренним соединением). Функциональные выводы:

• Вывод 1: Анодвходного светодиода.
• Вывод 3: Катодвходного светодиода.
• Вывод 4: GNDдля выходной КМОП ИС.
• Вывод 5: V_OUT, цифровой выходной сигнал.
• Вывод 6: V_CC, напряжение питания (3.3В или 5В) для выходной КМОП ИС.

Устройство реализуетнеинвертирующую логическую функцию(Положительная логика):

• Вход ВЫСОКИЙ (LED ВКЛ, I_F> I_FT):Выход = НИЗКИЙ
• Вход НИЗКИЙ (LED ВЫКЛ, I_F= 0):Выход = ВЫСОКИЙ

Это вход с токовым управлением; для получения низкого уровня на выходе необходимо подать ток в светодиод.

3.2 Габариты корпуса и разводка печатной платы

Техническое описание содержит подробные механические чертежи для корпуса SOP с 5 выводами. Ключевые размеры включают размер корпуса, шаг выводов и высоту установки. Также предоставленарекомендуемая контактная площадкадля поверхностного монтажа. Эта конфигурация разработана для обеспечения надежного формирования паяных соединений во время пайки оплавлением. В описании отмечается, что эти размеры площадок являются рекомендациями и могут потребовать корректировки в зависимости от конкретных процессов изготовления ПП или тепловых требований, но они служат отличной отправной точкой для проектирования.

3.3 Маркировка устройства

Верхняя часть корпуса маркируется лазером или чернильным кодом для идентификации. Маркировка следует формату:EL M81L YWW V.

• EL:Код производителя.
• M81L:Номер изделия (специфичен для класса CMTI и варианта).
• Y:Однозначный код года.
• WW:Двузначный код недели.
• V:Опциональная маркировка, указывающая на одобрение VDE.

4. Рекомендации по применению и вопросы проектирования

4.1 Проектирование входной цепи

Входная цепь должна обеспечивать управляемый ток для светодиода. Достаточно простого последовательного резистора. Его значение рассчитывается на основе управляющего напряжения и желаемого I_F. Например, для получения I_F= 8мА от логического сигнала 5В с типичным V_F1.4В: R_огр= (5В - 1.4В) / 0.008А = 450Ом. Подойдет стандартный резистор 470Ом. Убедитесь, что источник управления может обеспечить необходимый ток. При управлении с вывода GPIO микроконтроллера проверьте его способность отдавать ток. Если её недостаточно, может потребоваться простой транзисторный буфер (например, NPN или N-канальный MOSFET).

4.2 Проектирование выходной цепи

Выход представляет собой стандартный цифровой КМОП выход. Он может напрямую управлять входами КМОП, ТТЛ или LVCMOS. Ключевые требования:

1. Развязка питания:Как подчеркивается в описании, конденсатор 0.1мкФ должен быть размещен непосредственно между выводом 6 (V_CC) и выводом 4 (GND). Это обязательное условие для стабильной высокоскоростной работы и предотвращения помех на выходе.
2. Учет нагрузки:Выход может стягивать/отдавать до 20мА, но для наилучшей скорости и целостности сигнала нагрузка должна быть в основном емкостной (например, входная емкость другого логического элемента). Управление тяжелыми резистивными нагрузками или длинными дорожками увеличит время нарастания/спада и может повлиять на временные запасы.
3. Подтягивающие резисторы:Не требуются, так как выход активно формирует как высокий, так и низкий уровни.

4.3 Вопросы скорости и временных параметров

Для скорости передачи 15 Мбит/с период бита составляет приблизительно 66.7нс. Общая задержка сигнала через оптопару представляет собой сумму t_PLHили t_PHLплюс часть времени нарастания/спада. При типичных задержках около 30-50нс для этой скорости передачи имеется достаточный запас. Однако,искажение длительности импульсаважно. Искажение в 20нс означает, что импульс будет сужен или расширен на эту величину после прохождения через изолятор. Для очень узких импульсов это может привести к их исчезновению, если искажение превышает длительность импульса. Для критичных ко времени проектов всегда учитывайте максимальные, а не типичные значения.

4.4 Изоляция и вопросы безопасности

Номинальное напряжение изоляции 3750В_эффявляется требованием безопасности. Для сохранения этого параметра в конечном изделии критически важна разводка печатной платы. Убедитесь, чтопути утечки и воздушные зазорына печатной плате между всеми дорожками/компонентами входной стороны и всеми дорожками/компонентами выходной стороны соответствуют или превышают требования для рабочего напряжения изоляции системы (которое ниже испытательного напряжения 3750В_эфф). Это часто означает создание широкого паза или барьера в печатной плате под корпусом оптопары. Для конкретных требований к расстояниям в зависимости от напряжения, степени загрязнения и группы материалов обратитесь к соответствующим стандартам безопасности (например, IEC 60950, IEC 61010).

5. Информация для заказа и упаковка

Номер детали следует структуре:ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL:Базовый номер детали.
• (Z):Опция упаковки в ленту и на катушку. Может быть "TA", "TB" или опущена для упаковки в трубку.
• -V:Опциональный суффикс, обозначающий наличие одобрения VDE.

Варианты упаковки:

• Трубка:100 штук в трубке. Стандартно для ручной или мелкосерийной сборки.
• Лента и катушка (TA или TB):3000 штук на катушке. "TA" и "TB", вероятно, относятся к разным размерам катушек или ширине ленты (например, 8мм против 12мм). Этот вариант предназначен для автоматизированной сборки методом pick-and-place.

Техническое описание включает подробные спецификации ленты и катушки, включая размеры ячейки (A, B, D0, D1), шаг (P0, P1, P2), толщину ленты (t) и ширину катушки (W). Эти размеры необходимы для программирования питателя на автомате сборки.

6. Графики характеристик и типичные зависимости

Хотя выдержка из PDF упоминает "Типичные электрооптические характеристики", конкретные графики не включены в предоставленный текст. Обычно такие описания включают кривые, показывающие:

• Прямой ток (I_F) в зависимости от прямого напряжения (V_F):Показывает диодную характеристику входного светодиода при разных температурах.
• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока:Хотя это цифровое устройство, существует форма CTR — зависимость между I_Fи результирующим состоянием выхода. Ключевым параметром является пороговый ток I_FTЗадержка распространения в зависимости от напряжения питания (V
• ):_CCКак временные параметры изменяются с VЗадержка распространения в зависимости от температуры:_CC.
• Как временные параметры изменяются в рабочем диапазоне температур.Ток потребления (I
• ) в зависимости от температуры:_CCИзменение тока покоя с температурой.Проектировщикам следует использовать

минимальные и максимальные значенияиз таблиц для надежного проектирования, используя типичные кривые только для понимания тенденций и поведения.7. Сравнение и технологический контекст

ELM8XL-G относится к категории высокоскоростных цифровых оптопар. По сравнению со старыми оптопарами с транзисторными или составными транзисторными выходами, её КМОП логический выход обеспечивает гораздо более высокую скорость переключения, более крутые фронты и четко определенные логические уровни. По сравнению с импульсными трансформаторами, она предлагает меньшие габариты, возможность передачи постоянного сигнала (трансформаторы не могут передавать постоянный ток) и часто более низкую стоимость. По сравнению с новыми технологиями изоляции, такими как емкостные (цифровые изоляторы) или изоляторы на основе гигантского магнитосопротивления (GMR), оптопары, подобные ELM8XL-G, предлагают преимущества проверенной надежности, очень высокой собственной прочности изоляции и невосприимчивости к магнитным полям. Компромиссом, как правило, является более низкая скорость и более высокое энергопотребление (из-за тока управления светодиодом) по сравнению с новейшими полупроводниковыми изоляторами. Выбор зависит от конкретных требований приложения к скорости, мощности, стоимости и помехозащищенности.

8. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Могу ли я использовать это устройство с входным сигналом 3.3В для управления светодиодом?

О: Да, но необходимо пересчитать токоограничивающий резистор. Для управления от 3.3В и V

~1.4В, чтобы получить I_F=8мА, R = (3.3В - 1.4В) / 0.008А = 237.5Ом. Используйте резистор 240Ом. Убедитесь, что источник 3.3В может обеспечить 8мА._FВ: В чем разница между версиями M80L и M81L?

О: Основное различие — помехоустойчивость к синфазным переходным процессам (CMTI). Версия M81L гарантирует минимум 10,000 В/мкс, в то время как M80L гарантирует 5,000 В/мкс. Выбирайте M81L для более зашумленных сред, таких как приводы двигателей или промышленные силовые системы.

В: Нужен ли внешний подтягивающий резистор на выходе?

О: Нет. Выход представляет собой активный КМОП каскад с двухтактным выходом, который формирует как высокий, так и низкий уровни. Внешняя подтяжка не требуется и только увеличит потребляемую мощность.

В: Как обеспечить сохранение высокого уровня изоляции в моей конструкции печатной платы?

О: Вы должны обеспечить достаточные пути утечки (расстояние по поверхности) и воздушные зазоры между всеми проводниками на входной стороне и всеми проводниками на выходной стороне. Это обычно требует наличия физического зазора или паза в печатной плате под корпусом оптопары. Конкретные расстояния зависят от рабочего напряжения вашего приложения и стандартов безопасности, которым оно должно соответствовать.

В: Можно ли вывод (5) подключить напрямую ко входу другого устройства, или нужен последовательный резистор?

О: Можно подключить напрямую. Выход предназначен для управления стандартными цифровыми входами. Последовательный резистор, как правило, не нужен и замедлит фронты сигнала.

A: It can be connected directly. The output is designed to drive standard digital inputs. A series resistor is generally not needed and would slow down the signal edges.