Техническая документация на серию высокоскоростных оптопар с логическим выходом ELM6XX в корпусе 5-пиновый SOP, 10 Мбит/с

1. Обзор продукта

Серия ELM6XX представляет собой семейство высокопроизводительных, высокоскоростных оптопар с логическим выходом, разработанных для требовательных применений в области цифровой гальванической развязки. Эти устройства объединяют инфракрасный излучающий диод, оптически связанный с высокоскоростным интегрированным фотодетектором, имеющим логический выходной каскад, и обладают функцией стробируемого выхода. Выполненные в компактном 5-выводном корпусе SOP, они соответствуют стандартному отраслевому форм-фактору, что облегчает интеграцию в существующие конструкции и топологии печатных плат.

Основная функция данного компонента — обеспечение гальванической развязки между двумя электрическими цепями при передаче цифровых логических сигналов. Эта развязка критически важна для устранения контуров заземления, защиты чувствительных логических схем от всплесков напряжения и помех, присутствующих в других частях системы, а также для обеспечения безопасности в приложениях с высокими синфазными напряжениями.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Серия ELM6XX разработана с рядом ключевых преимуществ, делающих её подходящей для современных электронных систем. Её высокая скорость передачи данных 10 Мбит/с позволяет использовать в высокоскоростных интерфейсах передачи данных. Устройства гарантируют работоспособность в широком диапазоне рабочих температур от -40°C до +85°C, обеспечивая надёжность в промышленных и автомобильных условиях. Высокое напряжение изоляции 3750 В_{среднеквадратичное}обеспечивает надёжную защиту. Кроме того, серия соответствует основным экологическим и стандартам безопасности, включая отсутствие галогенов, свинца, соответствие RoHS, а также одобрена UL, cUL, VDE, SEMKO, NEMKO, DEMKO и FIMKO.

Основные целевые рынки и области применения включают:

• Промышленная автоматизация:Для развязки входов/выходов ПЛК, драйверов двигателей и интерфейсов датчиков от управляющей логики.
• Телекоммуникации и передача данных:В линейных приёмниках и системах мультиплексирования данных для устранения помех.
• Силовая электроника:В качестве надёжной замены импульсным трансформаторам в цепях обратной связи импульсных источников питания.
• Компьютерная периферия:Для сопряжения систем с разными потенциалами земли.
• Универсальные цифровые интерфейсы:Для преобразования уровней и развязки между различными логическими семействами, такими как LSTTL, TTL и 5В CMOS.

2. Подробный анализ технических параметров

В данном разделе представлена детальная, объективная интерпретация ключевых электрических и эксплуатационных параметров, указанных в техническом описании. Понимание этих параметров критически важно для корректного проектирования схемы и обеспечения надёжной работы.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Предельные эксплуатационные параметры определяют границы, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Это не рабочие условия.

• Прямой ток на входе (I_F):50 мА. Превышение этого тока, вероятно, разрушит внутренний инфракрасный излучающий диод (ИК-диод).
• Обратное напряжение на входе (V_R):5 В. ИК-диод чувствителен к обратному смещению; этот предел должен строго соблюдаться.
• Напряжение питания (V_CC) и выходное напряжение (V_O):7.0 В. Это определяет максимальное напряжение, которое может быть приложено к питанию и выходному выводу на стороне выхода.
• Напряжение изоляции (V_ISO):3750 В_{среднеквадратичное}в течение 1 минуты. Это ключевой параметр безопасности, тестируемый при закороченных вместе входных выводах (1,3) и закороченных вместе выходных выводах (4,5,6). Он подтверждает диэлектрическую прочность внутреннего изоляционного барьера.
• Рабочая и температура хранения:Устройство рассчитано на работу в диапазоне от -40°C до +85°C и хранение от -55°C до +125°C.
• Температура пайки:260°C в течение 10 секунд. Это важно для процессов сборки печатных плат с использованием пайки оплавлением.

2.2 Электрические характеристики

Эти параметры определяют работу устройства в нормальных рабочих условиях (T_A= от -40°C до 85°C, если не указано иное).

2.2.1 Входные характеристики (сторона ИК-диода)

• Прямое напряжение (V_F):Обычно 1.45В, максимум 1.8В при I_F=10мА. Используется для расчёта необходимого токоограничивающего резистора на входной стороне.
• Температурный коэффициент V_F:Приблизительно -1.9 мВ/°C. Прямое напряжение немного снижается с ростом температуры.
• Входная ёмкость (C_IN):Обычно 70 пФ. Влияет на высокочастотные характеристики и требования к драйверу входной цепи.

2.2.2 Выходные и передаточные характеристики

• Токи потребления: I_CCH(выход высокий) обычно 6.0 мА, а I_CCL(выход низкий) обычно 7.5 мА при V_CC=5.5В. Эти значения определяют потребляемую мощность на стороне выхода.
• Выходной ток высокого уровня (I_OH):Выход может отдавать очень небольшой ток (тип. 2.1 мкА) в состоянии высокого уровня. Это устройство предназначено для управления высокоимпедансными входами CMOS, а не для отдачи значительного тока.
• Выходное напряжение низкого уровня (V_OL):Обычно 0.4В, максимум 0.6В при токе стока 13мА. Определяет надёжный уровень логического '0'.
• Пороговый входной ток (I_FT):Обычно 2.4 мА, максимум 5 мА. Это минимальный входной ток, необходимый для гарантированного переключения выхода в допустимое низкое состояние (V_OL≤ 0.6В) при заданных условиях нагрузки. Это критический параметр для обеспечения помехоустойчивости.

2.3 Динамические характеристики

Эти параметры определяют динамические характеристики оптопары, измеренные в стандартных условиях (V_CC=5В, I_F=7.5мА, C_L=15пФ, R_L=350Ом).

• Время задержки распространения (t_PHL, t_PLH):Время от точки 50% переключения входного тока до соответствующей точки переключения выходного напряжения. t_PLH(переход в высокий уровень) обычно 50 нс, а t_PHL(переход в низкий уровень) обычно 41 нс, оба с максимумом 100 нс. Эти задержки ограничивают максимальную скорость передачи данных.
• Искажение длительности импульса (|t_PHL– t_PLH|):Обычно 9 нс, макс. 35 нс. Эта асимметрия задержек фронта и спада может сужать выходные импульсы на высоких частотах.
• Время нарастания/спада (t_r, t_f):Время нарастания выхода обычно 40 нс, время спада обычно 10 нс. Более быстрые фронты, как правило, лучше для целостности сигнала.
• Устойчивость к синфазным переходным помехам (CMH, CML):Это критический параметр для устройств развязки. Он измеряет устойчивость выходного состояния к быстрым переходным процессам напряжения через барьер изоляции. ELM601, например, может выдерживать dV/dt 5,000 В/мкс при синфазном сигнале размахом 50В без ложного изменения состояния. ELM611 предлагает ещё более высокую устойчивость (20,000 В/мкс при 1000В_размах).

3. Механическая информация и данные по корпусу

Устройство выполнено в 5-выводном корпусе SOP. Распиновка следующая:

• Вывод 1:Анод входного ИК-диода.
• Вывод 2:Не подключен (NC).
• Вывод 3:Катод входного ИК-диода.
• Вывод 4:Земля (GND) для стороны выхода.
• Вывод 5:Выходное напряжение (V_OUT).
• Вывод 6:Напряжение питания (V_CC) для стороны выхода.

Техническое описание включает детальный чертёж размеров корпуса (в миллиметрах), который необходимо использовать при проектировании посадочного места на печатной плате. Также предоставлена рекомендуемая контактная площадка для поверхностного монтажа, обеспечивающая надёжную пайку и механическую стабильность.

4. Рекомендации по пайке и монтажу

Правильное обращение и монтаж необходимы для надёжности. Устройство рассчитано на максимальную температуру пайки 260°C в течение 10 секунд, что соответствует стандартным профилям бессвинцовой пайки оплавлением (например, IPC/JEDEC J-STD-020).

Ключевые моменты:

• Используйте рекомендуемую контактную площадку, чтобы предотвратить "эффект надгробия" или смещение во время оплавления.
• Соблюдайте указанный температурный профиль, чтобы избежать теплового повреждения внутреннего кристалла и пластикового корпуса.
• Соблюдайте стандартные меры предосторожности от электростатического разряда (ESD) при обращении, так как устройство содержит чувствительные полупроводниковые компоненты.
• Храните устройства в сухой, контролируемой среде в соответствии с номинальной температурой хранения (от -55°C до +125°C).

5. Упаковка и информация для заказа

Серия ELM6XX доступна в различных вариантах упаковки для соответствия производственным потребностям:

• Стандартный вариант (None):Устройства поставляются в антистатических трубках, по 100 штук в трубке.
• Вариант на ленте и в катушке (TA/TB):Устройства поставляются на ленте и в катушке для автоматической установки, по 3000 штук в катушке. Обозначения 'TA' и 'TB', вероятно, относятся к разным размерам катушек или спецификациям ленты.

Система обозначений:ELM6XX(Z)-V

• XX:Конкретный номер детали (00, 01 или 11). Эти обозначения различают варианты, вероятно, на основе рейтингов устойчивости к синфазным переходным помехам (например, ELM600, ELM601, ELM611).
• Z:Вариант упаковки на ленте (TA, TB, или отсутствие для трубки).
• V:Опциональная маркировка об одобрении VDE.

6. Рекомендации по применению и особенности проектирования

6.1 Типовые схемы включения

Основное применение — развязка цифровых сигналов. Типичная схема включает токоограничивающий резистор, включённый последовательно с входным ИК-диодом и подключённый к логическому сигналу. Выходной вывод (V_OUT) подключён к V_CCчерез подтягивающий резистор (R_L) и управляет входом принимающей логической схемы. Значение R_L(например, 350Ом) и нагрузочная ёмкость влияют на скорость переключения.

6.2 Критически важные замечания по проектированию

• Входной ток:Убедитесь, что входной ток (I_F) соответствует или превышает максимальный пороговый входной ток (I_FT) для гарантированного низкого уровня на выходе, но не превышает предельный эксплуатационный параметр. Типичный рабочий I_Fсоставляет 7.5мА до 10мА.
• Помехоустойчивость:Для зашумлённых сред выбирайте вариант (ELM601 или ELM611) с более высокой устойчивостью к синфазным переходным помехам, соответствующей ожидаемым уровням помех в приложении.
• Развязка по питанию:Используйте блокировочные конденсаторы (например, 0.1 мкФ) вблизи выводов V_CCи GND на стороне выхода для обеспечения стабильной работы и минимизации коммутационных помех.
• Таблица истинности:Устройство функционирует как неинвертирующий буфер. Логическая единица (H) на входе (ИК-диод включён) создаёт логический ноль (L) на выходе. Логический ноль (L) на входе (ИК-диод выключен) создаёт логическую единицу (H) на выходе (благодаря подтягивающему резистору).

7. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными оптопарами серий 4N25/4N35, серия ELM6XX предлагает значительно более высокую скорость (10 Мбит/с против ~100 кбит/с) и превосходное подавление синфазных помех. Её логический выход обеспечивает чистые цифровые сигналы без необходимости в дополнительных схемах триггера Шмитта, часто требуемых для выходов на фототранзисторах. Корпус 5-пиновый SOP более компактен, чем старые корпуса DIP. Ключевое различие внутри самой серии ELM6XX — градация устойчивости к синфазным переходным помехам, что позволяет разработчикам выбрать соответствующий уровень стоимости/производительности для конкретной зашумлённой среды.

8. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

В1: Какую максимальную скорость передачи данных я могу достичь с этой оптопарой?

О: Типичные времена задержки распространения позволяют достичь скорости передачи данных до 10 Мбит/с, как указано. Однако фактическая максимальная надёжная скорость в системе будет ниже из-за искажения длительности импульса и времени установки/удержания принимающей логики. Консервативный проект может ориентироваться на 5-8 Мбит/с.

В2: Как выбрать между ELM600, ELM601 и ELM611?

О: Выбор в первую очередь основан на требуемой устойчивости к синфазным переходным помехам (CMTI). Используйте ELM600 для базовой развязки с низким уровнем помех. ELM601 (5,000 В/мкс) подходит для промышленных приводов двигателей и приложений источников питания. ELM611 (20,000 В/мкс) предназначен для сред с очень высоким уровнем помех, таких как мощные инверторы.

В3: Могу ли я использовать это устройство для непосредственного управления светодиодом или реле?

О: Нет. Выход предназначен для управления высокоимпедансными входами CMOS или TTL логики. Его способность отдавать/потреблять ток ограничена (I_OHочень низок, I_OLуказан при 13мА). Для управления нагрузками с большим током требуется дополнительный буферный каскад или каскад на транзисторе.

В4: Какое значение подтягивающего резистора (R_L) мне следует использовать?

О: В техническом описании указаны условия испытаний с R_L=350Ом. Это хорошая отправная точка. Меньший резистор обеспечит более быстрое время нарастания, но увеличит потребляемую мощность и выходной ток. Больший резистор сэкономит энергию, но замедлит время нарастания. Значение должно быть выбрано с учётом нагрузочной ёмкости и требуемой скорости.

9. Практический пример применения

Сценарий: Развязка UART микроконтроллера от приёмопередатчика RS-485.

В промышленном узле датчика линия TX UART микроконтроллера на 3.3В должна быть развязана от приёмопередатчика RS-485 на 5В, подключённого к зашумлённой шине дальнего действия. Для этой цели можно использовать ELM601. Вывод микроконтроллера управляет ИК-диодом через токоограничивающий резистор (например, (3.3В - 1.45В)/7.5мА ≈ 247Ом). Сторона выхода питается от шины 5В приёмопередатчика RS-485. Вывод V_OUT, подтянутый к 5В через резистор 350Ом, подключается непосредственно к входу драйвера (DI) микросхемы RS-485. Эта конфигурация разрывает соединение земли между чувствительным микроконтроллером и зашумлённой шиной, защищает микроконтроллер от переходных процессов, вызванных шиной, и обеспечивает преобразование логических уровней с 3.3В на 5В. Высокая CMTI ELM601 гарантирует сохранение целостности цифрового сигнала, несмотря на помехи на шине.

10. Принцип работы

Устройство работает по принципу оптоэлектронного преобразования. Электрический ток, поданный на входную сторону (выводы 1 и 3), заставляет инфракрасный излучающий диод (ИК-диод) излучать свет. Этот свет проходит через внутренний прозрачный изоляционный барьер (обычно формованный пластиковый зазор). На стороне выхода монолитная кремниевая интегральная схема фотодетектора принимает этот свет. Эта ИС содержит фотодиод, усилитель с высоким коэффициентом усиления и логический выходной каскад (вероятно, структуру типа "многоэмиттерный повторитель" или подобную). Усилитель преобразует фототок в напряжение, которое логический каскад буферизует и выводит в виде чистого цифрового сигнала. Упомянутая функция "стробируемого выхода", вероятно, относится к внутренней защёлке или функции разрешения, которая может удерживать выходное состояние, но для конкретных деталей требуется полная внутренняя схема.

11. Тенденции развития технологии

Тенденция в области цифровой изоляции направлена на более высокие скорости, меньшее энергопотребление, меньшие корпуса и более высокую степень интеграции. Хотя оптопары, такие как ELM6XX, остаются отличным решением для многих применений, появляются альтернативные технологии на основе ёмкостной (с использованием барьеров SiO₂) или гигантского магниторезистивного (GMR) связывания. Они могут предложить ещё более высокие скорости передачи данных (>>100 Мбит/с), лучшую симметрию по времени (меньшее искажение длительности импульса) и больший срок службы, поскольку в них нет светодиода, который может деградировать. Однако высокопроизводительные оптопары продолжают широко использоваться благодаря своей проверенной надёжности, высокой CMTI, простоте и экономической эффективности для скоростей до десятков мегабит в секунду. Разработка таких устройств, как серия ELM6XX, с градацией CMTI и использованием безгалогенных материалов, отражает постоянную эволюцию для удовлетворения более строгих экологических и эксплуатационных требований в современной электронике.