Техническая документация на серию ELS611-G - высокоскоростной логический оптрон 10 Мбит/с в корпусе SDIP-6

1. Обзор продукта

Серия ELS611-G представляет собой семейство высокоскоростных оптопар (оптоизоляторов) с логическим выходом, предназначенных для гальванической развязки цифровых сигналов. Эти устройства объединяют инфракрасный светодиод, оптически связанный с высокоскоростным интегрированным фотодетектором, имеющим логический выход с возможностью хранения состояния. Размещённые в компактном 6-выводном корпусе SDIP (Small Dual In-line Package), они разработаны для замены импульсных трансформаторов и обеспечивают надёжное устранение контуров заземления в условиях электрических помех.

Основная функция — обеспечение гальванической развязки между входной и выходной цепями, предотвращая распространение контуров заземления, скачков напряжения и помех. Логический выход гарантирует передачу чистого цифрового сигнала, что делает устройство подходящим для сопряжения различных логических семейств или доменов напряжения.

1.1 Ключевые преимущества и целевой рынок

Основные преимущества серии ELS611-G включают высокую скорость передачи данных до 10 Мбит/с, что поддерживает быстрые цифровые протоколы связи. Устройство обеспечивает высокое напряжение изоляции 5000 В среднекв.зн., обеспечивая отличную защиту чувствительных цепей. Устройства соответствуют требованиям по отсутствию галогенов (Br <900 ppm, Cl <900 ppm, Br+Cl <1500 ppm), не содержат свинца и соответствуют директивам RoHS и EU REACH. Они имеют одобрения ведущих международных сертификационных агентств, включая UL, cUL, VDE, NEMKO, FIMKO, SEMKO, DEMKO и CQC, что облегчает их использование на глобальных рынках.

Основные области применения — промышленная автоматизация, системы электропитания (например, импульсные источники питания для развязки обратной связи), интерфейсы компьютерной периферии, системы передачи данных, мультиплексирование данных и любые сценарии, требующие надёжной высокоскоростной гальванической развязки для цифровых сигналов.

2. Подробный анализ технических параметров

В следующих разделах представлен детальный объективный анализ ключевых электрических и эксплуатационных параметров, указанных в техническом описании.

2.1 Предельные эксплуатационные параметры

Эти параметры определяют предельные значения, превышение которых может привести к необратимому повреждению устройства. Не рекомендуется непрерывная работа устройства на этих пределах или вблизи них.

• Прямой ток на входе (I_F)): 20 мА. Максимальный непрерывный ток, допустимый через входной светодиод.
• Обратное напряжение на входе (V_R)): 5 В. Максимальное обратное напряжение, которое может выдержать входной светодиод.
• Рассеиваемая мощность на входе (P_D)): 40 мВт. Максимальная мощность, которую может рассеивать входная сторона.
• Напряжение питания выхода (V_CC)): 7.0 В. Абсолютное максимальное напряжение, которое может быть подано на вывод питания выходной стороны.
• Выходное напряжение (V_O)): 7.0 В. Максимальное напряжение, которое может присутствовать на выходном выводе.
• Выходной ток (I_O)): 50 мА. Максимальный ток, который выходной вывод может потреблять или отдавать.
• Напряжение изоляции (V_ISO)): 5000 В среднекв.зн. в течение 1 минуты. Это критически важный параметр безопасности, тестируемый при закороченных вместе входных выводах (1,2,3,4) и закороченных вместе выходных выводах (5,6).
• Рабочая температура (T_OPR)): от -40°C до +85°C. Диапазон температуры окружающей среды для нормальной работы.
• Температура пайки (T_SOL)): 260°C в течение 10 секунд. Этот параметр определяет допустимый профиль пайки оплавлением.

2.2 Электрические характеристики

Это гарантированные параметры производительности при указанных условиях испытаний.

2.2.1 Входные характеристики (сторона светодиода)

• Прямое напряжение (V_F)): Типично 1.45 В, максимум 1.8 В при I_F=10 мА. Используется для расчёта цепи ограничения входного тока.
• Обратный ток (I_R)): Максимум 10 мкА при V_R=5 В. Указывает на ток утечки светодиода в выключенном состоянии.
• Входная ёмкость (C_IN)): Типично 60 пФ. Этот параметр влияет на высокочастотные переключательные характеристики на входной стороне.

2.2.2 Выходные характеристики

• Ток потребления, высокий уровень (I_CCH)): от 7 мА до 13 мА при I_F=0 мА (светодиод выключен) и V_CC=5.5 В. Это ток покоя, когда выход находится в состоянии логической единицы.
• Ток потребления, низкий уровень (I_CCL)): от 9 мА до 15 мА при I_F=10 мА (светодиод включён) и V_CC=5.5 В. Это рабочий ток, когда выход активно переведён в низкий уровень.
• Выходное напряжение низкого уровня (V_OL)): Типично 0.4 В, максимум 0.6 В при условиях V_CC=5.5 В, I_F=5 мА, I_OL=13 мА. Определяет выходное напряжение при потреблении тока в состоянии низкого уровня.
• Пороговый ток на входе (I_FT)): Максимум 5 мА. Это минимальный ток входного светодиода, необходимый для гарантированного переключения выхода на допустимый низкий логический уровень (V_OL<= 0.6 В) при указанных условиях V_CCи I_OL. Это ключевой параметр для определения требуемого тока управления.

2.3 Переключательные характеристики

Эти параметры определяют временные характеристики оптопары, критически важные для высокоскоростной передачи данных. Условия испытаний: V_CC=5 В, I_F=7.5 мА, C_L=15 пФ, R_L=350 Ом, если не указано иное.

• Задержка распространения до высокого уровня (t_PHL)): Типично 40 нс, максимум 100 нс. Время от выключения входного светодиода до перехода выхода в логическую единицу.
• Задержка распространения до низкого уровня (t_PLH)): Типично 50 нс, максимум 100 нс. Время от включения входного светодиода до перехода выхода в логический ноль.
• Искажение длительности импульса (|t_PHL– t_PLH|)): Типично 10 нс, максимум 50 нс. Разница между двумя задержками распространения. Меньшее значение лучше для сохранения целостности сигнала и скважности.
• Время нарастания выходного сигнала (t_r)): Типично 50 нс. Время нарастания выхода от 10% до 90% от его конечного высокого значения.
• Время спада выходного сигнала (t_f)): Типично 10 нс. Время спада выхода от 90% до 10% от его начального высокого значения.
• Помехоустойчивость по синфазной помехе (CMH, CML)): Минимум 5 кВ/мкс. Этот параметр измеряет устойчивость устройства к быстрым переходным процессам напряжения между землями входа и выхода. CMH применяется, когда выход находится в высоком уровне, а CML — когда выход в низком. Высокое значение указывает на сильное подавление помех, проникающих через барьер изоляции.

3. Анализ характеристических кривых

В техническом описании приведены типичные электрооптические характеристические кривые. Хотя конкретные графики не детализированы в предоставленном тексте, они обычно включают следующие, которые важны для проектирования:

• Коэффициент передачи тока (CTR) в зависимости от прямого тока: Показывает эффективность оптопары. Для логического типа это заложено в переключательные параметры, но может указывать на производительность в зависимости от температуры и тока.
• Задержка распространения в зависимости от прямого тока: Иллюстрирует, как скорость переключения меняется с током управления светодиодом. Более высокий I_Fобычно уменьшает задержку распространения, но увеличивает рассеиваемую мощность.
• Задержка распространения в зависимости от температуры: Показывает изменение временных параметров в диапазоне рабочих температур.
• Ток потребления в зависимости от температуры: Указывает, как потребляемая мощность на выходной стороне меняется с температурой.

Конструкторам следует обращаться к полным графикам технического описания, чтобы понять пределы производительности и необходимость снижения номинальных параметров для своих конкретных условий применения.

4. Механическая информация и информация о корпусе

4.1 Расположение выводов и их функции

Устройство использует 6-выводный корпус SDIP. Распиновка следующая:

• Вывод 1: Анод входного светодиода.
• Вывод 2: Не подключён (N.C.).
• Вывод 3: Катод входного светодиода.
• Вывод 4: Земля (GND) выходной стороны.
• Вывод 5: Выход (V_OUT). Это выход с открытым коллектором или двухтактный выход внутреннего логического элемента.
• Вывод 6: Напряжение питания (V_CC) выходной стороны.

Важное примечание для проектирования:Между выводами 6 (V_CC) и 4 (GND) должен быть подключён блокировочный конденсатор ёмкостью 0.1 мкФ (или больше) с хорошими высокочастотными характеристиками, размещённый как можно ближе к корпусу. Это необходимо для стабильной работы и достижения заявленных переключательных характеристик.

4.2 Габариты корпуса и разводка печатной платы

Техническое описание содержит подробные механические чертежи для корпуса типа \"P\" (поверхностный монтаж). Ключевые размеры включают общий размер корпуса, шаг выводов и высоту установки. Также предоставлена рекомендуемая контактная площадка для поверхностного монтажа, обеспечивающая надёжную пайку и механическую прочность. Конструкторы должны строго следовать этим рекомендациям по разводке, чтобы предотвратить эффект \"могильного камня\" или плохие паяные соединения.

5. Рекомендации по пайке и сборке

Предельная температура пайки составляет 260°C в течение 10 секунд. Это соответствует типичным профилям бессвинцовой пайки оплавлением. Следует соблюдать следующие меры предосторожности:

• Соблюдайте рекомендуемый профиль оплавления для используемой конкретной паяльной пасты, убедившись, что пиковая температура и время выше температуры ликвидуса не превышают рейтинг устройства.
• Избегайте чрезмерных механических нагрузок на корпус при обращении.
• Соблюдайте рекомендуемую конструкцию контактных площадок на печатной плате, чтобы предотвратить образование перемычек припоя или недостаточных паяных соединений.
• Условия хранения должны соответствовать указанному диапазону температур хранения от -55°C до +125°C и сухой среде в соответствии со стандартными требованиями к уровню чувствительности к влажности (MSL) для устройств поверхностного монтажа (конкретный MSL в отрывке не указан).

6. Упаковка и информация для заказа

6.1 Правила формирования номера модели

Номер детали следует формату: ELS611X(Y)-VG

• EL: Префикс производителя.
• S611: Базовый номер детали.
• X: Тип выводов. \"P\" обозначает форму выводов для поверхностного монтажа.
• (Y): Вариант упаковки в ленту и на катушку. \"TA\" или \"TB\" указывают на разные стили упаковки на катушке.
• V: Опционально, обозначает одобрение VDE.
• G: Обозначает безгалогенную конструкцию.

Пример: ELS611P(TA)-VG — это устройство для поверхностного монтажа на ленте TA и катушке, с одобрением VDE, безгалогенное.

6.2 Спецификации упаковки

Устройство доступно в упаковке на ленте и катушке для автоматической сборки. Оба варианта TA и TB содержат 1000 единиц на катушке. Техническое описание включает диаграммы с указанием размеров ленты, расстояния между карманами и размера катушки.

6.3 Маркировка устройства

На корпусе нанесён код, указывающий место производства, номер устройства и дату. Формат включает: код завода (\"T\" для Тайваня), \"EL\" для производителя, \"S611\" для устройства, однозначный код года, двузначный код недели и опциональную \"V\" для VDE.

7. Рекомендации по применению и соображения при проектировании

7.1 Типовые схемы применения

Основное применение — гальваническая развязка цифровых сигналов. Типичная схема включает:

1. Входная сторона:Токоограничивающий резистор, включённый последовательно со светодиодом (выводы 1 и 3) для установки прямого тока I_F. Значение рассчитывается на основе управляющего напряжения и желаемого I_F(обычно между пороговым током I_FTи предельным значением). Для высокоскоростной работы рекомендуется быстрый драйвер.
2. Выходная сторона: V_CC(вывод 6) подключается к требуемому напряжению питания логики (до 7 В). Вывод 4 (GND) подключается к земле выходной стороны. Выходной вывод 5 подключается к входу принимающей логики. Внешний подтягивающий резистор к V_CCможет потребоваться в зависимости от внутренней структуры выхода (схема в техническом описании показывает активную подтяжку к низкому уровню, что предполагает двухтактный выход, но при проектировании следует уточнить, нужна ли подтяжка к высокому уровню).Критически важный блокировочный конденсатор 0.1 мкФ между V_CCи GND является обязательным.

7.2 Соображения при проектировании

• Скорость vs. Ток:Более высокий I_Fулучшает задержку распространения, но увеличивает рассеиваемую мощность и может снизить долгосрочную надёжность. Оптимизируйте I_Fисходя из требуемой скорости и тепловых ограничений.
• Помехоустойчивость:Высокая устойчивость к синфазным помехам (5 кВ/мкс) делает устройство подходящим для зашумлённых сред, таких как приводы двигателей и источники питания. Обеспечьте правильную разводку печатной платы, чтобы минимизировать паразитную связь вокруг барьера изоляции.
• Соображения по нагрузке:Соблюдайте предельные значения выходного тока (I_O) и напряжения (V_O). Выход предназначен для управления стандартными логическими входами (TTL, CMOS), а не мощными нагрузками.
• Блокировка источника питания:Пренебрежение рекомендуемым блокировочным конденсатором может привести к колебаниям, ложным срабатываниям и ухудшению переключательных характеристик.

8. Техническое сравнение и дифференциация

По сравнению со стандартными оптопарами с транзисторным выходом, интегрированный логический элемент ELS611-G предоставляет несколько ключевых преимуществ:

• Более высокая скорость:Скорость передачи данных 10 Мбит/с и задержки распространения менее 100 нс значительно быстрее, чем у типичных транзисторных оптопар (часто в диапазоне мкс).
• Чистый цифровой выход:Логический выход обеспечивает резкие фронты и чётко определённые логические уровни без необходимости во внешних триггерах Шмитта, упрощая схему.
• Меньшее искажение импульса:Указанное искажение длительности импульса мало, что критически важно для сохранения целостности сигнала в линиях тактовых сигналов и данных.
• Интегрированная функциональность:Объединяет фотодетектор, усилитель и логический элемент в одном кристалле, сокращая количество внешних компонентов.

9. Часто задаваемые вопросы (на основе технических параметров)

1. В: Какой минимальный входной ток требуется для гарантированного переключения выхода в низкий уровень?
   
   О: Параметр I_FT(Пороговый ток на входе) имеет максимальное значение 5 мА при условиях испытаний (V_CC=5.5 В, V_O=0.6 В, I_OL=13 мА). Чтобы обеспечить надёжное переключение при любых условиях, в конструкции следует использовать I_Fбольше этого значения, обычно 7.5 мА до 10 мА, как указано в переключательных характеристиках.
2. В: Могу ли я использовать это устройство с питанием логики 3.3 В на выходе?
   
   О: Да, устройство может работать с V_CCниже минимально необходимого для работы внутреннего логического элемента (точно не указано, но обычно ~2.7 В до 3 В для CMOS). Выходные логические уровни будут относиться к этому V_CC. Максимальное V_CCсоставляет 7.0 В.
3. В: Насколько критичен блокировочный конденсатор 0.1 мкФ?
   
   О: Он абсолютно критичен для стабильной высокоскоростной работы. Он обеспечивает локальный запас заряда для переключательных токов выходного каскада, предотвращая просадку напряжения питания и колебания, которые могут вызвать сбои.
4. В: Что означает \"выход с возможностью хранения состояния\"?
   
   О: Вероятно, это относится к функции защёлки или триггера, которая может удерживать состояние выхода. Однако таблица истинности в PDF показывает простую инвертирующую функцию (Вход H -> Выход L, Вход L -> Выход H). Этот термин может означать, что выход может сохранять своё состояние во время кратковременных прерываний или имеет хорошую помехоустойчивость. Для уточнения следует обратиться к схеме.

10. Практический пример применения

Сценарий: Развязка сигнала UART в промышленном контроллере.

Промышленный микроконтроллер обменивается данными с периферийным устройством по UART на скорости 115200 бод. Периферийное устройство работает от отдельного источника питания с другим потенциалом земли, что создаёт риск образования контуров заземления.

Реализация:

Используются два устройства ELS611-G: одно для линии TX (от контроллера к периферии) и одно для линии RX (от периферии к контроллеру). На изоляторе TX выходной вывод TX микроконтроллера управляет светодиодом через токоограничивающий резистор, установленный на I_F=10 мА. Выходной вывод изолятора подключается ко входу RX периферийного устройства. Напряжение V_CCизолятора подаётся от шины питания периферийного устройства 5 В или 3.3 В с обязательным блокировочным конденсатором. Процесс зеркально повторяется для линии RX. Такая конфигурация разрывает соединение по земле, предотвращает связь помех и защищает микроконтроллер от переходных процессов напряжения на стороне периферии, сохраняя при этом целостность высокоскоростных последовательных данных.

11. Принцип работы

Оптопара работает по принципу оптической связи для достижения гальванической развязки. В ELS611-G:

1. Электрический сигнал, подаваемый на входную сторону, заставляет инфракрасный светодиод (LED) излучать свет, пропорциональный току.
2. Этот свет проходит через прозрачный барьер изоляции (обычно из формовочной массы) внутри корпуса.
3. На выходной стороне кремниевый фотодиод или фототранзистор обнаруживает свет и преобразует его обратно в электрический ток.
4. Этот небольшой фототок усиливается и обрабатывается высокоскоростной интегральной схемой, которая включает логический элемент (в данном случае, вероятно, инвертор или буфер). ИС обеспечивает чистый цифровой выходной сигнал, повторяющий входное состояние, но электрически изолированный от него.
5. Барьер изоляции обеспечивает высокую электрическую прочность (5000 В среднекв.зн.), предотвращая протекание тока и разность напряжений между двумя сторонами.

12. Технологические тренды

Эволюция оптопар, таких как ELS611-G, обусловлена несколькими ключевыми тенденциями в электронике:

• Увеличение скорости передачи данных:Спрос на более высокоскоростную изоляцию в промышленных сетях связи (Profibus, EtherCAT), автомобильных сетях и системах возобновляемой энергии стимулирует создание устройств с меньшей задержкой распространения и более высокой устойчивостью к синфазным помехам.
• Миниатюризация:Наблюдается постоянная тенденция к уменьшению размеров корпусов (например, SOIC-4, LSSOP) с такими же или лучшими характеристиками изоляции для экономии места на печатной плате.
• Повышенная интеграция:Будущие устройства могут интегрировать больше функций, таких как силовая изоляция (изолированные DC-DC преобразователи) с изоляцией данных в одном корпусе, или многоканальные изоляторы.
• Инновации в материалах и процессах:Развитие эффективности светодиодов, чувствительности детекторов и чистоты формовочной массы способствует снижению энергопотребления, повышению скорости и улучшению долгосрочной надёжности.
• Альтернативные технологии изоляции:Хотя оптопары являются зрелой технологией, такие технологии, как ёмкостная изоляция (с использованием барьеров SiO2) и магнитная изоляция (GMR), конкурируют в некоторых высокоскоростных и высокоплотных приложениях. Каждая технология имеет свои компромиссы с точки зрения скорости, помехоустойчивости, энергопотребления и стоимости.