ELS611-G系列6引脚SDIP高速10MBit/s逻辑门光耦合器数据手册 - 中文技术文档

1. 产品概述

ELS611-G系列是一系列专为数字信号隔离设计的高速、逻辑门输出光耦合器（光隔离器）。该器件集成了一个红外发射二极管，该二极管通过光学方式耦合至一个带有可存储逻辑门输出的高速集成光电探测器。器件采用紧凑的6引脚小型双列直插封装（SDIP），旨在替代脉冲变压器，并在嘈杂的电气环境中提供强大的地环路消除能力。

其核心功能是在输入和输出电路之间提供电气隔离，防止地环路、电压尖峰和噪声传播。逻辑门输出确保了干净的数字信号传输，使其适用于不同逻辑系列或电压域之间的接口。

1.1 核心优势与目标市场

ELS611-G系列的主要优势包括高达10MBit/s的高速能力，可支持快速数字通信协议。它提供5000Vrms的高隔离电压，为敏感电路提供出色的保护。该器件符合无卤素要求（Br <900ppm， Cl <900ppm， Br+Cl <1500ppm），无铅，并满足RoHS和欧盟REACH指令。它获得了包括UL、cUL、VDE、NEMKO、FIMKO、SEMKO、DEMKO和CQC在内的主要国际安全机构的认证，便于其进入全球市场。

目标应用主要集中在工业自动化、电源系统（例如，用于反馈隔离的开关电源）、计算机外围接口、数据传输系统、数据复用以及任何需要为数字信号提供可靠、高速电气隔离的场景。

2. 深入技术参数分析

以下部分对数据手册中指定的关键电气和性能参数进行详细、客观的分析。

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。不建议器件持续在或接近这些极限下工作。

• 输入正向电流（I_F)）：20 mA。允许通过输入LED的最大连续电流。
• 输入反向电压（V_R)）：5 V。输入LED可承受的最大反向偏置电压。
• 输入功耗（P_D)）：40 mW。输入端可消耗的最大功率。
• 输出电源电压（V_CC)）：7.0 V。可施加到输出端电源引脚的最大绝对电压。
• 输出电压（V_O)）：7.0 V。输出引脚上可出现的最大电压。
• 输出电流（I_O)）：50 mA。输出引脚可吸收或提供的最大电流。
• 隔离电压（V_ISO)）：5000 Vrms，持续1分钟。这是一个关键的安全额定值，测试时将输入引脚（1，2，3，4）短接在一起，输出引脚（5，6）短接在一起。
• 工作温度（T_OPR)）：-40°C 至 +85°C。正常工作的环境温度范围。
• 焊接温度（T_SOL)）：260°C，持续10秒。这定义了回流焊接曲线的容差。

2.2 电气特性

这些是在指定测试条件下保证的性能参数。

2.2.1 输入特性（LED侧）

• 正向电压（V_F)）：典型值1.45V，在I_F=10mA时最大1.8V。用于设计输入限流电路。
• 反向电流（I_R)）：在V_R=5V时最大10 µA。这表示LED在关断状态下的漏电流。
• 输入电容（C_IN)）：典型值60pF。此参数影响输入端的高频开关性能。

2.2.2 输出特性

• 电源电流，高电平（I_CCH)）：当I_F=0mA（LED关断）且V_CC=5.5V时，为7mA至13mA。这是输出处于逻辑高电平状态时的静态电流。
• 电源电流，低电平（I_CCL)）：当I_F=10mA（LED导通）且V_CC=5.5V时，为9mA至15mA。这是输出被主动拉低时的工作电流。
• 低电平输出电压（V_OL)）：典型值0.4V，在条件V_CC=5.5V，I_F=5mA，I_OL=13mA下最大0.6V。这定义了在低电平状态下吸收电流时的输出电压。
• 输入阈值电流（I_FT)）：最大5mA。这是保证输出切换到有效低逻辑电平（V_OL<= 0.6V）所需的最小输入LED电流，在指定的V_CC和I_OL条件下。这是确定所需驱动电流的关键参数。

2.3 开关特性

这些参数定义了光耦合器的时序性能，对高速数据传输至关重要。测试条件为V_CC=5V，I_F=7.5mA，C_L=15pF，R_L=350Ω，除非另有说明。

• 至高电平传播延迟（t_PHL)）：典型值40ns，最大100ns。从输入LED关断到输出上升至逻辑高电平的时间。
• 至低电平传播延迟（t_PLH)）：典型值50ns，最大100ns。从输入LED导通到输出下降至逻辑低电平的时间。
• 脉冲宽度失真（|t_PHL– t_PLH|））：典型值10ns，最大50ns。两个传播延迟之间的差值。该值越低，对保持信号完整性和占空比越有利。
• 输出上升时间（t_r)）：典型值50ns。输出从其最终高电平值的10%上升到90%所需的时间。
• 输出下降时间（t_f)）：典型值10ns。输出从其初始高电平值的90%下降到10%所需的时间。
• 共模瞬态抗扰度（CMH， CML））：最小5 kV/µs。这衡量了器件对输入和输出地之间快速电压瞬变的抗扰能力。CMH适用于输出为高电平时，CML适用于输出为低电平时。高值表示对通过隔离屏障耦合的噪声有很强的抑制能力。

3. 性能曲线分析

数据手册引用了典型的光电特性曲线。虽然提供的文本中没有详细说明具体图表，但它们通常包括以下对设计至关重要的内容：

• 电流传输比（CTR）与正向电流的关系：显示光耦合器的效率。对于逻辑门类型，这已嵌入开关参数中，但可以指示在温度和电流变化下的性能。
• 传播延迟与正向电流的关系：说明开关速度如何随LED驱动电流变化。更高的I_F通常会减少传播延迟，但会增加功耗。
• 传播延迟与温度的关系：显示在整个工作温度范围内时序参数的变化。
• 电源电流与温度的关系：指示输出侧功耗如何随温度变化。

设计人员应查阅完整的数据手册图表，以了解其特定应用条件下的性能边界和降额需求。

4. 机械与封装信息

4.1 引脚配置与功能

该器件采用6引脚SDIP封装。引脚排列如下：

• 引脚1：输入LED的阳极。
• 引脚2：无连接（N.C.）。
• 引脚3：输入LED的阴极。
• 引脚4：输出侧的地（GND）。
• 引脚5：输出（V_OUT）。这是内部逻辑门的集电极开路或图腾柱输出。
• 引脚6：输出侧的电源电压（V_CC）。

关键设计注意事项：必须在引脚6（V_CC）和引脚4（GND）之间连接一个0.1µF（或更大）且具有良好高频特性的旁路电容，并尽可能靠近封装放置。这对于稳定运行和实现指定的开关性能至关重要。

4.2 封装尺寸与PCB布局

数据手册提供了“P”型（表面贴装引脚形式）封装的详细机械图纸。关键尺寸包括整体封装主体尺寸、引脚间距和离板高度。还提供了推荐的表面贴装组装焊盘布局，以确保可靠的焊接和机械强度。设计人员必须遵守这些布局指南，以防止立碑或焊点不良。

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。这与典型的无铅回流焊接曲线相符。应遵守以下预防措施：

• 遵循所用特定焊膏的推荐回流曲线，确保峰值温度和液相线以上的时间不超过器件的额定值。
• 在处理过程中避免对封装施加过大的机械应力。
• 遵守推荐的PCB焊盘设计，以防止焊料桥接或焊角不足。
• 存储条件应在规定的存储温度范围-55°C至+125°C内，并按照表面贴装器件的标准湿度敏感等级（MSL）要求（摘录中未说明具体MSL）存放在干燥环境中。

6. 包装与订购信息

6.1 型号命名规则

部件号遵循格式：ELS611X(Y)-VG

• EL：制造商前缀。
• S611：基础部件号。
• X：引脚类型。“P”表示表面贴装引脚形式。
• (Y)：卷带包装选项。“TA”或“TB”指定不同的卷盘包装样式。
• V：可选，表示VDE认证。
• G：表示无卤素结构。

示例：ELS611P(TA)-VG 是一款表面贴装器件，采用TA卷带包装，通过VDE认证，无卤素。

6.2 包装规格

该器件采用卷带包装，适用于自动组装。TA和TB选项每卷均包含1000个器件。数据手册包含指定卷带尺寸、口袋间距和卷盘尺寸的图表。

6.3 器件标记

封装上标记有指示制造来源、器件编号和日期代码的代码。格式包括：工厂代码（“T”代表台湾）、“EL”代表制造商、“S611”代表器件、一位数年代码、两位数年周代码以及可选的“V”代表VDE。

7. 应用建议与设计考量

7.1 典型应用电路

主要应用是数字信号隔离。典型电路包括：

1. 输入侧：与LED（引脚1和3）串联一个限流电阻，以设定正向电流I_F。其值根据驱动电压和所需的I_F（通常在阈值电流I_FT和最大额定值之间）计算。对于高速操作，建议使用快速驱动器。
2. 输出侧： V_CC（引脚6）连接到所需的逻辑电源电压（最高7V）。引脚4（GND）连接到输出地。输出引脚5连接到接收逻辑输入。根据内部输出结构（数据手册原理图显示有源下拉，表明是图腾柱输出，但设计应验证是否需要上拉），可能需要一个连接到V_CC的外部上拉电阻。V_CC和GND之间的关键0.1µF旁路电容是强制性的。

7.2 设计考量

• 速度与电流：更高的I_F可改善传播延迟，但会增加功耗并可能降低长期可靠性。应根据所需速度和热约束优化I_F。
• 抗噪性：高共模瞬态抗扰度（5kV/µs）使其适用于电机驱动器和电源等嘈杂环境。确保正确的PCB布局，以最小化隔离屏障周围的寄生耦合。
• 负载考量：遵守最大输出电流（I_O）和电压（V_O）额定值。输出设计用于驱动标准逻辑输入（TTL、CMOS），而非重负载。
• 电源旁路：忽略推荐的旁路电容可能导致振荡、误触发和开关性能下降。

8. 技术对比与差异化

与标准晶体管输出光耦合器相比，ELS611-G的集成逻辑门提供了几个关键优势：

• 更高速度：10MBit/s的数据速率和低于100ns的传播延迟明显快于典型的晶体管耦合器（通常在µs范围）。
• 干净的数字输出：逻辑门输出提供陡峭的边沿和明确的逻辑电平，无需外部施密特触发器，简化了电路设计。
• 更低的脉冲失真：指定的脉冲宽度失真较低，这对于保持时钟和数据线的信号完整性至关重要。
• 集成功能：将光电探测器、放大器和逻辑门集成在一个芯片中，减少了外部元件数量。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

1. 问：保证输出切换到低电平所需的最小输入电流是多少？
   
   答：参数I_FT（输入阈值电流）在测试条件（V_CC=5.5V，V_O=0.6V，I_OL=13mA）下最大值为5mA。为确保在所有条件下可靠切换，设计应使用大于此值的I_F，通常在开关特性中指示为7.5mA至10mA。
2. 问：我可以在输出端使用3.3V逻辑电源吗？
   
   答：可以，只要V_CC不低于内部逻辑门工作所需的最低电压（未明确说明，但CMOS通常约为2.7V至3V），该器件即可工作。输出逻辑电平将相对于此V_CC。最大V_CC为7.0V。
3. 问：0.1µF旁路电容有多关键？
   
   答：对于稳定、高速的运行绝对关键。它为输出级的开关电流提供了本地电荷储备，防止电源轨电压跌落和可能导致故障的振荡。
4. 问：“可存储输出”是什么意思？
   
   答：它可能指的是可以保持输出状态的锁存器或触发器功能。然而，PDF中的真值表显示了一个简单的反相器功能（输入H -> 输出L，输入L -> 输出H）。该术语可能表示输出可以在短暂中断期间保持其状态，或具有良好的抗噪性。应查阅原理图以澄清。

10. 实际应用示例

场景：在工业控制器中隔离UART信号。

一个工业微控制器通过UART以115200波特率与外围设备通信。外围设备在具有不同地电位的独立电源上运行，存在地环路风险。

实施方案：

使用两个ELS611-G器件，一个用于TX线（控制器到外围设备），一个用于RX线（外围设备到控制器）。在TX隔离器上，微控制器的TX引脚通过一个设定为I_F=10mA的限流电阻驱动LED。隔离器的输出引脚连接到外围设备的RX输入。隔离器的V_CC由外围设备的5V或3.3V电源轨供电，并带有强制性的旁路电容。RX线的过程与此镜像。此设置断开了地连接，防止了噪声耦合，并保护微控制器免受外围设备侧的电压瞬变影响，同时保持了高速串行数据的完整性。

11. 工作原理

光耦合器基于光学耦合原理工作以实现电气隔离。在ELS611-G中：

1. 施加到输入侧的电信号使红外发光二极管（LED）发出与电流成比例的光。
2. 该光穿过封装内的透明隔离屏障（通常是模塑化合物）。
3. 在输出侧，硅光电二极管或光电晶体管检测到光并将其转换回电流。
4. 这个小光电流被一个高速集成电路放大和处理，该电路包括一个逻辑门（在本例中，可能是一个反相器或缓冲器）。该IC提供一个干净的数字输出信号，复制输入状态，但与其电气隔离。
5. 隔离屏障提供高介电强度（5000Vrms），防止两侧之间的电流流动和电压差。

12. 技术趋势

像ELS611-G这样的光耦合器的发展受到电子领域几个关键趋势的推动：

• 数据速率提高：工业通信（Profibus、EtherCAT）、汽车网络和可再生能源系统对更高速隔离的需求，推动了对具有更低传播延迟和更高共模抗扰度的器件的需求。
• 小型化：持续的趋势是采用更小的封装（例如SOIC-4、LSSOP），同时保持或提高隔离等级，以节省PCB空间。
• 增强集成：未来的器件可能会集成更多功能，例如将电源隔离（隔离式DC-DC转换器）与数据隔离集成在单个封装中，或多通道隔离器。
• 材料与工艺创新：LED效率、探测器灵敏度和模塑化合物纯度的发展有助于降低功耗、提高速度并改善长期可靠性。
• 替代隔离技术：虽然光耦合器技术成熟，但电容隔离（使用SiO2屏障）和磁隔离（GMR）等技术在一些高速、高密度应用中与之竞争。每种技术在速度、抗扰度、功耗和成本方面都有其自身的权衡。