8引脚DIP宽体高速10Mbit/s逻辑门光耦合器ELW137系列数据手册 - 中文技术文档

1. 产品概述

ELW137、ELW2601和ELW2611系列是高速逻辑门光耦合器（光隔离器），专为需要快速数字信号隔离的应用而设计。其核心组件是一个红外发射二极管，通过光学方式耦合至一个带有逻辑门输出的高速集成光电探测器。该器件采用行业标准的8引脚双列直插式封装（DIP）宽体形式，也提供表面贴装器件（SMD）选项。其主要功能是在输入和输出电路之间提供电气隔离，同时以高达每秒10兆比特（Mbit/s）的速度传输数字逻辑信号。

1.1 核心优势与目标市场

该系列的关键优势包括其高速能力，使其适用于现代数字通信接口。它提供高达5000 V_有效值的高隔离电压，增强了系统安全性和抗噪能力。该器件设计保证在-40°C至+85°C的宽工业温度范围内性能稳定。它获得了主要的国际安全认证（UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO），并符合欧盟REACH和RoHS指令。目标市场包括工业自动化、电信、计算机外围设备、医疗设备和开关电源，这些领域对可靠的信号隔离至关重要。

2. 技术参数深度解析

本节对数据手册中列出的关键电气和性能参数进行客观解读。

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。它们不适用于正常工作条件。

• 输入正向电流（I_F)）：50 mA。超过此值可能损坏输入LED。
• 反向电压（V_R)）：5 V。输入二极管的反向电压耐受能力有限。
• 电源电压（V_CC）和输出电压（V_O)）：7.0 V。这定义了可施加到输出侧电源和信号引脚的最大电压。
• 隔离电压（V_ISO)）：5000 V_有效值，持续1分钟。这是一个关键的安全参数，表示输入和输出侧之间的介电强度。
• 工作温度（T_OPR)）：-40°C 至 +85°C。该器件额定适用于工业环境。
• 焊接温度（T_SOL)）：260°C，持续10秒。这对于PCB组装工艺非常重要。

2.2 电气特性

这些是在工作温度范围内、特定测试条件下保证的参数。

2.2.1 输入特性

• 正向电压（V_F)）：典型值1.4V，在I_F=10mA时最大1.8V。此参数用于设计输入限流电路。
• 输入电容（C_IN)）：典型值70 pF。这会影响输入级的高频响应。

2.2.2 输出与传输特性

• 电源电流（I_CCH、I_CCL)）：输出IC在输出高电平时消耗6.5-10mA，输出低电平时消耗8-13mA。这决定了输出侧的功率需求。
• 低电平输出电压（V_OL)）：在灌入13mA电流时最大0.6V。这确保了与TTL和低压CMOS逻辑输入的兼容性。
• 输入阈值电流（I_FT)）：3.0 至 5.0 mA。这是在最坏情况下保证有效逻辑低电平输出所需的最小输入LED电流。设计时应使用高于最大值的电流。

2.3 开关特性

这些参数定义了对于高速数据传输至关重要的时序性能。

• 传播延迟（t_PHL、t_PLH)）：各自最大100 ns。这限制了最大数据速率。数据手册指定了10 Mbit/s的能力。
• 脉冲宽度失真 |t_PHL- t_PLH||：最大40 ns。这种不对称性会影响传输信号中的占空比。
• 上升/下降时间（t_r、t_f)）：t_r典型值为40 ns，t_f典型值为10 ns。在此类器件中，更快的下降时间是常见的。
• 共模瞬态抗扰度（CMH, CML）：这是抗噪能力的关键参数。ELW2611提供最高性能（10,000 - 20,000 V/µs），意味着它能够抑制输入和输出地之间非常快速的电压尖峰，而不会导致输出错误。ELW137的CMTI未指定，而ELW2601提供5,000 V/µs。

3. 引脚配置与功能描述

该器件采用8引脚DIP配置。引脚1和4为空脚（NC）。输入侧包括用于LED的引脚2（阳极）和引脚3（阴极）。输出侧包括引脚5（地）、引脚6（V_OUT - 输出）、引脚7（V_E - 使能）和引脚8（V_CC - 电源电压）。使能引脚（V_E）控制输出。真值表显示了逻辑关系：当使能为高电平时，输出是输入的反相（低电平有效）。当使能为低电平时，无论输入如何，输出都被强制为高电平。数据手册要求在引脚8（V_CC）和引脚5（GND）之间连接一个0.1µF的旁路电容以确保稳定运行。

4. 应用建议

4.1 典型应用场景

• 地环路消除与逻辑电平隔离：在不同地电位的子系统之间隔离数字信号，以防止噪声和地环路。
• 数据传输与线路接收器：用于串行通信链路（如RS-232、RS-485接口）的隔离。
• 开关电源：在反激式或其他隔离式转换器拓扑中提供反馈隔离。
• 计算机外围设备接口：隔离与打印机、工业I/O卡之间的信号。
• 脉冲变压器替代：为信号隔离提供固态替代方案，驱动电路更简单。

4.2 设计注意事项

• 输入电流设置：必须使用串联电阻来设置输入LED电流。为保证开关动作，I_F应设置为高于最大I_FT（5mA）。典型测试条件使用7.5mA。电阻值计算公式为：(V_驱动- V_F) / I_F.
• 。使能引脚用法：使能引脚可用于门控输出，如果不需要，可以连接到固定电压。其电压不得超过V_CC超过0.5V。
• 输出负载：输出可灌入高达13mA电流以获得有效的V_OL。如需驱动更高电流或容性负载，可能需要外部缓冲器。
• 抗噪能力：对于高噪声环境，应选择ELW2611型号，因其具有卓越的共模瞬态抗扰度（CMTI）。图15中针对ELW2611推荐的驱动电路使用晶体管来锐化输入LED电流边沿，从而进一步提高CMTI性能。
• 旁路：输出侧的0.1µF电容对于最小化电源噪声和确保稳定的高速运行至关重要。

5. 技术对比与选型指南

该系列包括三个主要型号：ELW137、ELW2601和ELW2611。主要的区别因素是共模瞬态抗扰度（CMTI）。ELW137具有基本隔离。ELW2601提供中等CMTI（5,000 V/µs）。ELW2611提供高CMTI（10,000 - 20,000 V/µs）。选型应基于应用的电气噪声环境。对于电机驱动、工业PLC或噪声较大的电源，推荐使用ELW2611。对于要求不高的数字隔离，ELW2601或ELW137可能就足够了。

6. 常见问题解答（基于技术参数）

6.1 可实现的最大数据速率是多少？

虽然器件规格为10 Mbit/s，但实际可用的最大速率取决于传播延迟和上升/下降时间。最大传播延迟为100 ns时，方波的理论最高频率会更低。为了可靠的数据传输，需要考虑总脉冲失真和系统时序裕量。

6.2 如何计算输入电阻值？

使用公式：R_IN= (V_驱动- V_F) / I_F。为进行最坏情况设计，假设V_F为最大值（1.8V）。对于5V驱动和I_F= 10mA，R_IN= (5V - 1.8V) / 0.01A = 320 欧姆。使用最接近的标准值（例如，330 欧姆）。

6.3 能否与3.3V逻辑一起使用？

输出侧V_CC可由3.3V供电。然而，电气特性是在V_CC=5.5V下测试的。在3.3V下，V_OL、I_OH和传播延迟等参数可能会有所不同。输入侧是独立的；只要能达到正确的I_F，LED可以由3.3V电源驱动。

6.4 使能引脚的用途是什么？

使能引脚（V_E）提供三态控制。当被驱动为低电平（<0.8V）时，它强制输出为高电平，从而有效禁用从输入到输出的信号路径。这可用于将多个隔离器输出复用到单条总线线路，或用于省电模式。

7. 实际设计案例

场景：在工业传感器节点中，隔离3.3V微控制器和5V RS-485收发器之间的1 Mbit/s UART信号。

设计步骤：

1. 型号选择：选择ELW2611，以适应工业环境中的高抗噪需求。
2. 输入电路：微控制器GPIO（3.3V）驱动LED。计算电阻：R_IN= (3.3V - 1.8V) / 0.01A = 150 欧姆。使用150Ω电阻与LED阳极（引脚2）串联。阴极（引脚3）连接到微控制器GND。
3. 输出电路：使用5V为输出侧供电（V_CC引脚8）。在引脚8和引脚5（GND）之间连接一个0.1µF陶瓷电容。将输出引脚6直接连接到RS-485收发器的输入引脚。收发器的输入阻抗充当负载。使能引脚7可以通过一个10kΩ电阻连接到V_CC（5V）以实现常开操作，或由另一个GPIO驱动以进行控制。
4. 布局：保持输入和输出走线在物理上分离。将旁路电容尽可能靠近引脚8和5放置。

8. 工作原理

光耦合器基于光学耦合原理工作。电输入信号驱动一个红外发光二极管（LED）。发出的光被隔离输出侧的光电二极管或光电晶体管检测到。在这种逻辑门光耦合器中，输出侧包含一个更复杂的集成电路。光电探测器的电流被放大并由数字逻辑门（通常是施密特触发器）处理，以产生干净、定义明确的数字输出信号。光路提供了电气隔离屏障，因为光可以穿过物理间隙（通过透明绝缘材料），而电则不能，从而阻断了地环路和高压瞬变。

9. 行业趋势

信号隔离的趋势是朝着更高速度、更低功耗、更小封装和集成功能发展。虽然像这种DIP封装的传统光耦合器仍然被广泛使用，但新技术正在获得关注。基于CMOS技术、采用电容或磁耦合的数字隔离器提供了显著更高的数据速率（高达数百Mbit/s）、更低的传播延迟、更好的时序对称性以及在温度和时间方面更高的可靠性。它们还在微小封装中集成了多个通道。然而，光耦合器在某些领域仍具有优势，例如极高的隔离电压能力、简单性以及对许多标准速度应用的成本效益。高速、高CMTI光耦合器（如ELW2611所示）的开发，正是为了满足嘈杂的电力电子和电机驱动环境中对鲁棒隔离的需求。