ELD3H7 ELQ3H7 光电耦合器数据手册 - 8引脚/16引脚SSOP封装 - 隔离电压3750Vrms - 电流传输比50-600% - 中文技术文档

1. 产品概述

ELD3H7和ELQ3H7是基于光电晶体管的光电耦合器，专为电信号隔离而设计。它们由一个红外发光二极管与一个硅光电晶体管通过光耦合构成，全部封装在一个紧凑的表面贴装封装内。其主要功能是在两个电路之间传输电信号，同时保持高电气隔离，防止噪声、地环路和电压尖峰传播。

ELD3H7在8引脚SSOP（缩小型小外形封装）内集成了2个独立隔离通道。ELQ3H7在16引脚SSOP内集成了4个独立通道。两种型号均具有2.0毫米的超薄外形，非常适合空间受限的应用。器件采用无卤素、绿色模塑化合物，并符合无铅和RoHS指令。

2. 关键特性与核心优势

• 高隔离电压：额定值为3750 V_rms（持续1分钟），确保在高电压环境中提供可靠的保护与安全性。
• 宽电流传输比：在I_F= 5mA，V_CE= 5V条件下，范围从50%到600%，为不同的信号放大需求提供设计灵活性。
• 紧凑外形：外形高度为2.0毫米的SSOP封装，是高密度PCB设计的理想选择。
• 全面的安全认证：获得UL（E214129）、VDE（40028116）、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO和CQC认证，便于在全球受监管的设备中使用。
• 快速开关特性：在指定测试条件下，典型上升时间（t_r）为5 µs，下降时间（t_f）为3 µs，适用于数字信号传输。

3. 目标市场与应用

这些光电耦合器专为需要可靠信号隔离和抗噪声干扰的应用而设计。

• DC-DC转换器：在开关电源中提供反馈环路隔离。
• 可编程逻辑控制器与工业自动化：隔离控制器与现场设备之间的数字I/O信号。
• 电信设备：隔离调制解调器、接口和网络硬件中的信号线。
• 通用电路隔离：在不同地电位或阻抗等级的电路之间传输信号。

4. 深入技术参数分析

4.1 绝对最大额定值

这些是任何条件下都不得超过的应力极限，以防止器件永久损坏。

• 输入（LED侧）：正向电流（I_F）60 mA；峰值正向电流（I_FP）1 A（持续1 µs脉冲）；反向电压（V_R）6 V；功耗（P_D）70 mW。
• 输出（晶体管侧）：集电极电流（I_C）50 mA；集电极-发射极电压（V_CEO）80 V；发射极-集电极电压（V_ECO）7 V；功耗（P_C）150 mW。
• 器件整体：总功耗（P_TOT）200 mW；隔离电压（V_ISO）3750 V_rms.
• 温度：工作范围 -55°C 至 +110°C；存储范围 -55°C 至 +125°C；焊接温度 260°C（持续10秒）。

4.2 电气与光电特性

在25°C下测量的典型性能参数。

4.2.1 输入（红外LED）特性

• 正向电压（V_F）：典型值1.2V，在I_F=20mA时最大1.4V。此参数对于设计LED驱动电路至关重要。
• 反向电流（I_R）：在V_R=4V时最大10 µA，表明二极管具有良好的反向阻断特性。
• 输入电容（C_in）：典型值30 pF，影响高频开关性能。

4.2.2 输出（光电晶体管）特性

• 暗电流（I_CEO）：在V_CE=20V，I_F=0mA时最大100 nA。这是LED关闭时的漏电流，影响关断状态下的信号完整性。
• 击穿电压： BV_CEO≥ 80V，BV_ECO≥ 7V，定义了晶体管两端允许的最大电压。
• 集电极-发射极饱和电压（V_CE(sat)）：典型值0.1V，在I_F=10mA，I_C=1mA时最大0.2V。对于逻辑电平输出，较低的V_CE(sat)是理想的。

4.2.3 传输特性

• 电流传输比：定义为（I_C/ I_F）* 100%。在I_F=5mA，V_CE=5V条件下，规定范围为50%至600%。这种宽泛的分档允许根据所需增益进行选择。
• 隔离电阻（R_IO）：在500V DC下最小为5×10¹⁰Ω，确保出色的直流隔离。
• 隔离电容（C_IO）：典型值0.3 pF，最大值1.0 pF。低电容可最大限度地减少高频噪声通过隔离屏障的容性耦合。
• 开关时间：在测试条件下（V_r=2V，I_f=2mA，R_CE=100Ω），上升时间（t_C）典型值5 µs，下降时间（t_L）典型值3 µs。这些值决定了最大可用数据速率。

5. 机械与封装信息

5.1 封装尺寸与外形图

器件采用SSOP封装。ELD3H7（2通道）使用8引脚SSOP，而ELQ3H7（4通道）使用16引脚SSOP。两者共享2.0毫米的通用低外形高度。数据手册中提供了包含所有关键尺寸（本体尺寸、引脚间距、离板高度）的详细尺寸图，用于PCB焊盘设计。

5.2 引脚配置与极性

对于ELD3H7（8引脚）：

• 引脚1、3：分别为通道1和通道2 LED的阳极。
• 引脚2、4：分别为通道1和通道2 LED的阴极。
• 引脚5、7：分别为通道1和通道2光电晶体管的发射极。
• 引脚6、8：分别为通道1和通道2光电晶体管的集电极。

对于ELQ3H7（16引脚）：

• 引脚1、3、5、7：通道1至4 LED的阳极。
• 引脚2、4、6、8：通道1至4 LED的阴极。
• 引脚9、11、13、15：通道1至4光电晶体管的发射极。
• 引脚10、12、14、16：通道1至4光电晶体管的集电极。

5.3 推荐PCB焊盘布局

数据手册包含针对8引脚和16引脚SSOP封装的建议焊盘图形设计。遵循这些建议可确保在回流焊接过程中形成可靠的焊点，并获得适当的机械稳定性。

5.4 器件标识

器件在顶面进行标识。标识包括：

• "EL"：制造商标识符。
• "D3H7" 或 "Q3H7"：2通道或4通道器件的型号。
• "Y"：一位数字年份代码。
• "WW"：两位数字周代码。
• "V"：可选标识，表示VDE认证。

6. 焊接与组装指南

这些器件适用于使用回流焊接技术的表面贴装组装。

• 回流焊接：在封装本体处测量的最大允许焊接温度为260°C，持续时间不超过10秒。标准的无铅回流焊曲线（IPC/JEDEC J-STD-020）适用。
• 操作：应遵循标准的ESD（静电放电）预防措施，因为器件包含对静电敏感的半导体。
• 清洗：遵循与绿色环氧模塑化合物兼容的标准PCB清洗程序。
• 存储：储存在温度介于-55°C至+125°C之间的干燥环境中。建议在日期代码后的12个月内使用，以获得最佳可焊性。

7. 包装与订购信息

7.1 型号命名规则

部件号遵循以下格式：EL[D3H7/Q3H7](Z)-V

• EL：系列前缀。
• D3H7 / Q3H7：表示2通道或4通道器件。
• (Z)：卷带包装选项。"TA"表示卷带包装，若无此标识则表示管装。
• V：可选后缀，表示VDE认证。

7.2 包装规格

• ELD3H7（管装）：每管80个。
• ELD3H7（卷带）：每卷1000个。
• ELQ3H7（管装）：每管40个。
• ELQ3H7（卷带）：每卷1000个。

卷带规格，包括载带宽度、口袋尺寸和卷盘直径，均有详细说明，便于自动贴片机设置。

8. 应用设计注意事项

8.1 典型应用电路

最常见的应用是数字信号隔离。必须在LED阳极串联一个限流电阻，以设定所需的正向电流（I_F）。其阻值计算公式为：R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F。在输出侧，一个上拉电阻（R_L）连接在集电极和输出侧电源电压（V_{CC_output}）之间，用于定义输出逻辑电平并限制光电晶体管集电极电流。

8.2 设计要点与最佳实践

• 电流传输比选择：根据您的驱动电流和所需输出电流选择合适的电流传输比等级。较高的电流传输比允许在相同输出下使用较低的I_F，从而降低输入功耗。
• 速度与电流的权衡：开关速度（t_r， t_f）通常随着I_F的增大和R_L的减小而提高，但这会增加功耗。测试电路（I_F脉冲， V_CE=2V， I_C=2mA， R_L=100Ω）为预期性能提供了参考。
• 抗噪性：高隔离电阻（R_IO）和低隔离电容（C_IO）是抑制共模噪声的关键。确保正确的PCB布局，避免爬电距离和电气间隙问题，以免影响额定隔离电压。
• 热考虑：不得超过器件的总功耗（P_TOT= 200 mW）。总功耗是输入LED功耗（I_F*V_F）与输出晶体管功耗（I_C*V_CE）之和。

9. 技术对比与差异化

与标准的DIP-4或DIP-6光电耦合器相比，ELD3H7/ELQ3H7系列具有显著优势：

• 尺寸减小：对于2通道器件，SSOP封装占用的电路板面积不到标准DIP-8封装的25%，实现了小型化。
• 多通道集成：单个封装内提供2通道和4通道选项，减少了多隔离应用中的元件数量和电路板空间占用。
• 外形高度：2.0毫米的高度对于超薄设计至关重要。
• 性能：尽管尺寸小巧，但仍保持了高隔离电压和宽电流传输比范围，这是与许多小型化替代方案的关键区别。

10. 常见问题解答

10.1 这些光电耦合器可实现的最大数据速率是多少？

基于5 µs和3 µs的典型上升/下降时间，对于干净的数字化信号，最大实用数据速率约为1/(t_r+t_f) ≈ 125 kHz。为确保可靠运行，建议采用50-100 kHz的保守设计目标。

10.2 如何为我的应用选择正确的电流传输比等级？

如果您的设计需要在特定输入电流（I_C）下保证最小输出电流（I_F），请计算所需的最小电流传输比：CTR_{min_req}= (I_C/ I_F) * 100%。选择其最小保证电流传输比（例如50%）达到或超过此值的器件。使用更高的电流传输比等级可提供更大的设计裕量。

10.3 这些器件能否用于隔离模拟信号？

虽然主要设计用于数字隔离，但它们也可用于低频、低精度的模拟应用（例如隔离电源中的反馈）。然而，电流传输比具有强烈的温度依赖性，并且与I_F呈非线性关系，这使得它们在没有大量校准或补偿电路的情况下不适合用于精密模拟信号传输。专用的线性光耦更适合模拟隔离。

10.4 隔离电压额定值的目的是什么，它是如何测试的？

3750 V_rms额定值（持续1分钟）是一项安全规范，表示输入侧和输出侧之间绝缘的介电强度。在测试期间，LED侧的所有引脚短路在一起，晶体管侧的所有引脚也短路在一起。在这两组之间施加高交流电压。此额定值确保了对工业或连接市电的设备中可能出现的高压瞬变的防护。

11. 实际设计示例

场景：将微控制器的3.3V数字信号隔离到5V系统。

• 输入侧： V_{CC_input}= 3.3V。目标I_F= 5 mA，以获得良好的速度和电流传输比。假设V_F≈ 1.2V，则R_limit= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω。使用标准的430Ω电阻。
• 输出侧： V_{CC_output}= 5V。选择R_L以限制I_C并设定逻辑电平。对于I_F=5mA时电流传输比为100%的情况，I_C≈ 5mA。当晶体管导通（饱和）时，V_CE≈ 0.1V，因此输出为低电平（约0.1V）。当关断时，输出被上拉至高电平5V。导通时R_L上的功耗为(5V - 0.1V) * 5mA ≈ 24.5 mW，完全在额定值范围内。标准的1 kΩ电阻将给出I_C≈ (5V - 0.1V)/1kΩ = 4.9mA，这也是可以接受的。
• 布局：将器件放置在PCB上靠近隔离屏障的位置。在输入和输出铜走线之间保持建议的爬电距离和电气间隙（参考IEC 60950-1等安全标准），特别是对于高隔离电压额定值。

12. 工作原理

光电耦合器通过将电信号转换为光，通过电绝缘间隙传输，然后再将光转换回电信号来工作。在ELD3H7/ELQ3H7中：

1. 电流（I_F）流经红外LED，使其发射光子。
2. 这些光子穿过透明的绝缘介质（模塑化合物），撞击硅光电晶体管的基区。
3. 光子能量在基区产生电子-空穴对，有效地产生基极电流，使晶体管导通。
4. 晶体管传导集电极电流（I_C），该电流与接收到的光强度成正比，因此也与输入I_F成正比。比例常数就是电流传输比。

关键在于输入和输出之间唯一的连接是光学的，从而提供了电气隔离。

13. 行业趋势与发展

光电耦合器技术的发展趋势受更高速度、更小尺寸、更低功耗以及集成更多功能的需求驱动。虽然像ELD3H7/ELQ3H7这样的传统光电晶体管耦合器在成本效益、鲁棒性和高隔离电压方面表现出色，但新技术正在不断涌现：

• 高速数字耦合器：利用CMOS技术和集成LED，实现数十或数百Mbps的数据速率，远超基于光电晶体管的器件。
• 集成隔离功能：将隔离与隔离栅极驱动器、隔离ADC或隔离电源等功能相结合的器件。
• 增强的安全性与可靠性：持续的发展重点在于提高隔离材料的耐久性、抗浪涌能力，以及在更小的封装内实现更高的工作电压额定值，以满足不断发展的国际安全标准。

光电晶体管耦合器仍然是成本敏感、通用隔离应用的基础且广泛使用的解决方案，其中适中的速度和高度可靠性至关重要。