8引脚SOP光敏三极管光电耦合器EL20X/EL21X系列数据手册 - SO-8封装 - 隔离电压3750Vrms - 中文技术文档

1. 产品概述

EL20X和EL21X系列是基于光敏三极管的光电耦合器（光耦）产品家族，采用标准的8引脚小外形封装（SOP）。这些器件通过使用红外发光二极管（LED）将信号传输到光敏三极管探测器，从而在两个电路之间提供电气隔离。其主要功能是在不进行任何直接电气连接的情况下，跨隔离屏障传输电信号，从而防止高电压或噪声从一个电路传播到另一个电路。

该系列的核心优势在于其紧凑、符合行业标准的SO-8封装尺寸与强大的隔离性能相结合。主要特性包括高达3750 V_rms的高隔离电压、-55°C至+110°C的宽工作温度范围，以及80V的高集电极-发射极击穿电压（BV_CEO）。器件提供多种电流传输比（CTR）等级，使设计人员能够根据其特定应用的增益要求选择优化的型号。符合环境和安全标准，如无卤、无铅、符合RoHS标准，并具有UL/cUL认证，使其适用于广泛的商业和工业应用。

1.1 目标应用

这些光电耦合器专为电子系统中的通用隔离和开关任务而设计。典型的应用领域包括：

• 反馈控制电路：在开关电源（SMPS）中隔离反馈信号，以维持稳压并保护控制IC。
• 系统接口：在不同地电位或电压电平的电路之间耦合数字或模拟信号，例如在微控制器与电机驱动器或工业I/O模块的接口中。
• 通用开关：替代机械继电器，实现无噪声的固态信号开关。
• 监控与检测电路：用于安全监控、故障检测或线路检测等隔离至关重要的场合。

2. 深入技术参数分析

本节对数据手册中规定的关键电气和光学参数进行详细、客观的解读。

2.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了可能导致器件永久损坏的应力极限。在这些条件下工作无法得到保证。

• 输入正向电流（I_F）：60 mA（连续）。对于极短脉冲（10 µs），峰值正向电流（I_FM）为1 A，这与开启期间的浪涌条件相关。
• 输入反向电压（V_R）：6 V。输入LED的反向击穿电压相对较低；电路设计中必须注意避免施加反向偏压。
• 输出集电极-发射极电压（V_CEO）：80 V。这是当基极开路（无光输入）时，光敏三极管的集电极和发射极之间可以承受的最大电压。
• 总功耗（P_TOT）：240 mW。这是输入LED和输出晶体管可以耗散的最大总功率。输入（P_D）和输出（P_C）的单独限制分别为90 mW和150 mW。
• 隔离电压（V_ISO）：3750 V_rms，持续1分钟。这是一个关键的安全参数，通过在所有短接的输入引脚（1-4）和所有短接的输出引脚（5-8）之间施加此交流电压进行测试。它证明了内部绝缘的介电强度。
• 工作与存储温度：-55°C 至 +110°C（工作），-55°C 至 +125°C（存储）。宽范围确保了在恶劣环境下的可靠性。

2.2 光电特性

这些参数在标准测试条件下测量（除非注明，Ta=25°C），定义了器件的性能。

2.2.1 输入（LED）特性

• 正向电压（V_F）：典型值1.3V，在I_F= 10 mA时最大1.5V。这用于计算LED驱动电路所需的限流电阻。
• 反向电流（I_R）：在V_R= 6V时最大100 µA，表示LED在关断状态下的漏电流。

2.2.2 输出（光敏三极管）特性

• 集电极-发射极暗电流（I_CEO）：在V_CE= 10V，I_F= 0mA时最大50 nA。这是无光照射时，光敏三极管的漏电流，对于确定"关断"状态信号电平很重要。
• 集电极-发射极饱和电压（V_CE(sat)）：在I_F= 10mA，I_C= 2mA时最大0.4V。当器件用作开关时，低饱和电压有助于最小化压降和功率损耗。

2.2.3 传输特性

光电耦合器最关键参数是电流传输比（CTR）。

• 定义：CTR = (I_C/ I_F) * 100%，其中I_C是光敏三极管的集电极电流，I_F是LED的正向电流。它表示将输入电流转换为输出电流的效率。
• 分级系统：该系列分为特定的CTR等级，以确保设计一致性。
  • EL20X系列（在I_F=10mA时的标准CTR）：EL205（40-80%）、EL206（63-125%）、EL207（100-200%）、EL208（160-320%）。
  • EL21X系列（在I_F=10mA时的最小CTR）：EL211（>20%）、EL212（>50%）、EL213（>100%）。
  • 低电流CTR（在I_F=1mA时）：为在较低LED电流下工作指定了不同的型号（EL215、EL216、EL217），表明CTR依赖于I_F.
• 开关速度：在规定的测试条件下（V_=10V，I=2mA，R_{=100Ω），典型的开启时间（t}on_r）和关断时间（t_foff_CC）各为3.0 µs，上升时间（t_C）为1.6 µs，下降时间（t_L）为2.2 µs。这些参数限制了可传输信号的最大频率。
• 隔离参数：隔离电阻（R_IO）典型值为10¹¹Ω，输入输出电容（C_IO）典型值为0.5 pF。低电容对于在噪声环境中保持高共模瞬态抗扰度（CMTI）至关重要。

3. 性能曲线分析

虽然提供的PDF摘录提到了典型的特性曲线但未显示，但其一般用途和对设计的影响解释如下。

3.1 电流传输比（CTR）与正向电流（I_F)

典型曲线会显示CTR不是恒定的。它通常在特定的I_F处达到峰值（对于此类器件通常在1-10 mA范围内），并在较低和较高电流时下降。设计人员必须参考此曲线，以选择为其应用提供足够增益和线性的最佳工作点。

3.2 CTR与温度的关系

CTR具有负温度系数；它随着环境温度的升高而降低。这一特性对于在-55°C至+110°C全温度范围内工作的设计至关重要。电路设计必须确保在最高预期温度下（此时CTR最小）也能正常工作（例如，足够的输出摆幅或开关能力）。

3.3 集电极电流与集电极-发射极电压的关系

这组以不同I_F值为参数的曲线，显示了光敏三极管的输出特性。它说明了饱和区（V_CE较低，I_C主要由I_F控制）和有源/线性区。这对于设计线性隔离放大器或确保器件用作开关时完全饱和至关重要。

4. 机械与封装信息

4.1 引脚配置

8引脚SOP封装的引脚排列如下：引脚1：阳极，引脚2：阴极，引脚3、4、8：无连接（NC），引脚5：发射极，引脚6：集电极，引脚7：基极。基极引脚引出到外部，这提供了设计灵活性。它可以悬空以获得最高灵敏度，通过电阻连接到发射极以降低灵敏度并提高开关速度，或在特定配置中用于反馈。

4.2 封装尺寸与PCB布局

该器件符合标准SO-8封装尺寸。数据手册包含详细的机械图纸，尺寸单位为毫米。还提供了推荐的表面贴装组装焊盘布局。遵循此焊盘图案对于实现可靠的焊点并防止回流焊期间的立碑等问题至关重要。封装外形确保与自动贴片设备的兼容性。

5. 焊接与组装指南

焊接温度的绝对最大额定值为260°C，持续10秒。这是无铅回流焊工艺的典型额定值。应遵循IPC/JEDEC J-STD-020关于湿度敏感等级（MSL）和回流焊曲线的标准指南。器件应存放在其原始防潮袋中直至使用。如果暴露在超过其MSL等级的环境湿度中，焊接前需要进行烘烤，以防止回流焊期间的"爆米花"损坏。

6. 包装与订购信息

6.1 型号命名规则

型号遵循以下格式：EL2XX(Y)-V

• XX：型号（05、06、07、08、11、12、13、15、16、17）。定义CTR等级。
• Y：卷带包装选项（TA、TB，或无表示管装）。
• V：可选后缀，表示包含VDE安全认证。

6.2 包装选项

• 管装：每管100个。适用于原型制作或小批量手动组装。
• 卷带装：每卷2000个。专为大批量自动组装线设计。数据手册包含详细的卷带规格（凹槽尺寸、带宽度、卷直径）。

6.3 器件标识

封装顶部标有"EL"（制造商代码）、型号（例如207）、1位年份代码（Y）和2位周代码（WW）。对于VDE认证版本，可能带有可选的"V"。此标识允许对组件进行追溯和验证。

7. 应用设计注意事项

7.1 驱动输入LED

必须使用限流电阻驱动LED。电阻值计算为R_LIMIT= (V_DRIVE- V_F) / I_F。使用数据手册中的最大V_F，以确保在所有条件下都能达到所需的最小I_F。对于数字开关，考虑到器件的开关速度，确保驱动电路能够提供必要的I_F，以在要求的时间内达到所需的输出状态。

7.2 输出电路设计

连接在集电极和V_L之间的负载电阻（R_CC）决定了输出电压摆幅和开关速度。较小的R_L提供更快的开关速度（由于较小的RC时间常数），但会导致较小的输出电压摆幅和较高的功耗。较大的R_L提供较大的摆幅但速度较慢。所选的I_F和CTR必须保证光敏三极管在导通时能够吸收足够的电流，将输出电压拉低到接收电路的逻辑低电平阈值以下。

7.3 使用基极引脚

将基极引脚（引脚7）悬空可提供最高的CTR和灵敏度。在基极和发射极（引脚5）之间连接一个电阻（通常在100 kΩ至1 MΩ范围内）会分流部分光生基极电流，降低有效增益（CTR），但显著提高开关速度，尤其是关断时间（t_off）。这是高速数字隔离应用中的常见权衡。

7.4 确保可靠的隔离

为了保持额定的隔离电压，正确的PCB布局至关重要。根据相关安全标准（如IEC 60950、IEC 60601）的规定，在PCB上保持输入侧和输出侧铜走线之间有足够的爬电距离和电气间隙。组件内部的隔离屏障是经过认证的，但PCB布局不得损害它。

8. 技术对比与选型指导

EL20X/EL21X系列以其在标准SO-8封装中高达3750V_rms的隔离电压而脱颖而出，这高于许多基本的4引脚光电耦合器。与更先进的数字隔离器（使用CMOS技术）相比，此类光敏三极管光电耦合器通常速度较慢，CTR较低，且CTR会随时间退化。然而，它们为直流和低频交流信号隔离提供了出色的共模抑制、简单性和鲁棒性。关键的选型标准是：所需的隔离电压、在工作I_F下必要的CTR、可接受的开关速度以及工作温度范围。

9. 常见问题解答（FAQ）

9.1 EL20X和EL21X系列有何区别？

EL20X系列（EL205-EL208）规定了CTR的最小值和最大值（一个"分级"范围），提供了更严格的参数控制。EL21X系列（EL211-EL213）仅规定了最小CTR值，这可能导致实际值的分布更广，但成本可能更低。

9.2 温度如何影响性能？

CTR随温度升高而降低。为了在整个温度范围内可靠工作，设计计算应使用在最高工作温度下的最小预期CTR。数据手册通常为此提供降额曲线或温度系数。

9.3 此器件能否用于模拟信号隔离？

可以，但有局限性。光敏三极管的响应是非线性的，且CTR随I_F和温度变化。对于线性模拟隔离，需要额外的外部电路（运算放大器、反馈）来线性化响应，或者应考虑专用的线性光耦。

9.4 型号中的"V"选项有何用途？

"-V"后缀表示该特定单元已经过测试并认证符合VDE（德国电气工程师协会）关于加强绝缘的安全标准。这通常是销往欧洲市场的产品的要求。

10. 实际设计示例

场景：隔离一个3.3V微控制器GPIO引脚，以控制另一个电路上的12V继电器线圈。继电器线圈需要50mA才能吸合。

设计步骤：

1. 接口选择：使用光电耦合器作为继电器的低侧开关。微控制器驱动LED侧。光敏三极管将吸收继电器线圈电流。
2. 器件选型：选择具有足够CTR的型号。所需I_C= 50mA。如果目标是从MCU提供I_F= 5mA，则所需最小CTR = (50mA / 5mA)*100% = 1000%。标准光敏三极管无法提供此值。因此，光电耦合器必须驱动一个小晶体管（"后置晶体管"），然后由该晶体管驱动继电器。选择EL207（CTR 100-200%）以获得良好的增益。
3. 输入电路：MCU GPIO（3.3V）-> 限流电阻R1 -> EL207引脚1（阳极）和2（阴极）。R1 = (3.3V - 1.5V) / 0.005A = 360Ω（使用330Ω标准值）。
4. 输出电路：12V电源 -> 继电器线圈 -> EL207的集电极（引脚6）。发射极（引脚5）接地。必须在继电器线圈两端反向并联一个续流二极管，以保护光敏三极管在关断时免受电压尖峰的影响。可以在引脚7添加一个基极-发射极电阻（例如1 MΩ）以改善关断速度。
5. 验证：在I_F=5mA时，最小CTR为100%可提供I_C= 5mA。这足以饱和一个具有高增益的小型BJT（例如2N3904），然后该BJT可以开关50mA的继电器线圈。

11. 工作原理

光电耦合器由两个主要组件组成，封装在一个不透光的封装内。在输入侧，一个红外砷化镓（GaAs）发光二极管（LED）将电流转换为红外光。该光的强度与流过LED的正向电流（I_F）成正比。该光穿过透明的隔离间隙（通常填充有介电凝胶）并照射到输出侧的硅光敏三极管上。光敏三极管的基区设计为对该特定波长的光敏感。入射的光子在基极-集电极结中产生电子-空穴对，形成作为基极电流的光电流。然后，该光生基极电流被晶体管的电流增益（h_FE）放大，产生更大的集电极电流（I_C）。比率I_C/I_F就是电流传输比（CTR）。关键点在于信号是通过光传输的，提供由内部绝缘材料的物理特性以及LED与晶体管之间的距离决定的电气隔离。

12. 技术趋势

像EL20X/EL21X这样的基于光敏三极管的光电耦合器代表了一种成熟可靠的隔离技术。当前信号隔离的趋势包括越来越多地采用基于CMOS技术和射频或电容耦合的数字隔离器。这些在速度（高达数百Mbps）、功耗、尺寸和寿命（无LED退化）方面具有显著优势。然而，传统光电耦合器在需要极高隔离电压（>5kV）、优异的共模瞬态抗扰度（CMTI）、简单性以及直流和低频隔离的成本效益的应用中仍保持强势地位。光电耦合器技术本身也在不断发展，例如将光敏三极管与基极-发射极电阻集成以提高速度（如基极引脚的可用性所示），以及开发具有更高爬电距离/电气间隙的封装以满足加强绝缘要求。