ELM4XXA 系列固態繼電器規格書 - 4-Pin SOP 封裝 - 400V/600V 負載電壓 - 120mA/50mA 負載電流

1. 產品概述

ELM4XXA 系列代表一系列採用緊湊型 4-pin 小型外型封裝 (SOP) 的單通道、常開 (1 Form A) 固態繼電器 (SSR)。這些元件旨在取代空間受限應用中的電磁繼電器 (EMR)，這些應用需要高可靠性、快速切換和低功耗。其核心技術涉及一個 AlGaAs 紅外線 LED，光耦合至一個光電二極體陣列，該陣列驅動輸出 MOSFET，從而提供低壓控制電路與高壓負載電路之間的電氣隔離。

1.1 核心優勢與目標市場

ELM4XXA 系列的主要優勢源於其固態結構。關鍵優點包括無聲操作、無接點彈跳、使用壽命長，以及抗衝擊和振動。低 LED 操作電流減輕了微控制器或邏輯閘等控制電路的負擔。該系列特別適合微型化、能源效率和可靠性至關重要的現代電子設備。

目標應用：此繼電器系列專為電信交換設備、量測與測試儀器、工廠自動化 (FA) 與辦公室自動化 (OA) 設備、工業控制系統以及安全系統而設計。

2. 深入技術參數分析

ELM4XXA 系列的效能由一系列全面的電氣、光學和熱參數所定義。理解這些規格對於正確的電路設計和可靠操作至關重要。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了可能導致元件永久損壞的應力極限。不保證在此條件下操作。

輸入端 (LED 側)：最大順向電流 (I_F) 為 50 mA DC。在脈衝條件下（100 Hz，0.1% 工作週期），允許峰值順向電流 (I_FP) 為 1 A。最大逆向電壓 (V_R) 為 5 V。
輸出端 (MOSFET 側)：崩潰電壓 (V_L) 區分了兩個主要型號：ELM440A 為 400 V，ELM460A 為 600 V。相應地，最大連續負載電流 (I_L) 對於 400V 版本為 120 mA，對於 600V 版本為 50 mA。短時間內允許較高的脈衝負載電流（單次 100 ms）。
隔離：該元件提供高隔離電壓 (V_iso) 為 3750 V_rms（持續 1 分鐘），確保輸入與輸出之間的安全性和抗雜訊能力。
熱特性：操作環境溫度範圍為 -40°C 至 +85°C。元件總功耗 (P_T) 不得超過 550 mW。

2.2 電氣與光學特性

這些參數在 T_A= 25°C 下指定，定義了元件在正常條件下的操作行為。

輸入特性：LED 順向電壓 (V_F) 在 I_F= 10 mA 時，典型值為 1.18V，最大值為 1.5V。此低 V_F有助於降低功耗。
輸出特性：一個關鍵參數是導通狀態電阻 (R_d(ON))。對於 ELM440A，典型值為 20 Ω（最大 30 Ω）；對於 ELM460A，典型值為 40 Ω（最大 70 Ω）。此電阻直接影響繼電器導通時的電壓降和功率損耗。關斷狀態漏電流 (I_leak) 保證小於 1 μA，從而最小化繼電器斷開時的功率損耗。
傳輸特性：這些定義了輸入與輸出之間的關係。在最大負載下完全啟動輸出 MOSFET 所需的 LED 導通電流 (I_F(on)) 非常低，典型值為 1 mA（最大 5 mA）。LED 關斷電流 (I_F(off)) 是保證輸出關斷 (I_L≤ 1 μA) 的最大輸入電流，典型值為 0.6 mA。
切換速度：導通時間 (T_on) 和關斷時間 (T_off) 在亞毫秒範圍內。在標準測試條件下 (I_F=10mA, I_L=MAX, R_L=200Ω)，T_on典型值為 0.1 ms，T_off典型值為 0.2 ms。這比大多數 EMR 快得多。

3. 性能曲線分析

規格書提供了多個圖表，說明關鍵參數如何隨操作條件變化，這對於降額設計和穩健設計至關重要。

3.1 熱降額

圖 1：負載電流 vs. 環境溫度顯示了隨著環境溫度升高，最大連續負載電流所需的降額。ELM440A 和 ELM460A 都必須將其負載電流從 25°C 時的額定值線性降低，直至在大約 100-120°C 時降至零。此曲線對於確保元件的總功耗 (I_L²* R_d(ON)) 在高溫下不超過限制至關重要。

3.2 導通電阻與切換時間變化

圖 2：導通電阻 vs. 環境溫度表明 R_d(ON)隨溫度升高而增加。對於 ELM460A，R_d(ON)從 25°C 到 100°C 可能增加超過 50%。在計算高溫下的電壓降時必須考慮此因素。

圖 3：切換時間 vs. 環境溫度顯示 T_on和 T_off都隨著溫度降低而適度增加，特別是在 0°C 以下。在寒冷環境中運作的電路設計師必須考慮到切換速度會稍微變慢。

3.3 輸入/輸出關係

圖 4 & 5：切換時間 vs. LED 順向電流顯示增加 LED 驅動電流 (I_F) 可顯著減少導通和關斷時間。這使得設計師可以在切換速度和輸入功耗之間進行權衡。使用 20-30 mA 而非 10 mA 驅動 LED，可以將切換時間減少一半以上。

圖 6 & 7：歸一化 LED 操作電流 vs. 溫度揭示了使輸出導通所需的 I_F(on)隨溫度升高而降低，而 I_F(off)（關斷點）則增加。在高溫下操作窗口變窄的現象必須在餘裕設計中考慮。

4. 機械與封裝資訊

4.1 腳位配置與電路圖

該元件採用標準 4-pin SOP 封裝。

腳位 1：LED 陽極
腳位 2：LED 陰極
腳位 3 & 4：MOSFET 輸出（源極和汲極連接；內部電路顯示這些連接方式使元件成為一個 SPST 開關）。

電路圖確認了其架構：一個紅外線 LED 驅動一個光電電池陣列，該陣列產生電壓來偏壓輸出 MOSFET 的閘極，使其導通。

4.2 封裝尺寸與標記

封裝主體尺寸約為 4.59mm x 3.81mm，高度為 1.73mm（最大）。引腳間距為 2.54mm。提供了建議的 PCB 焊盤圖案（焊盤佈局），以確保可靠的焊接和機械穩定性。元件頂部標有代碼，指示製造商標誌、零件編號（例如 M440A）、製造年份/週數，以及 VDE 認證版本的選用標記 'V'。

5. 焊接與組裝指南

該元件設計用於採用迴流焊接製程的表面黏著組裝。焊接溫度的絕對最大額定值為 260°C，持續 10 秒。這符合典型的無鉛迴流焊溫度曲線。設計師應遵循建議的焊盤佈局，以防止墓碑效應並確保形成良好的焊點。該元件符合無鹵素、無鉛和 RoHS 指令，適合注重環保的製造。

6. 訂購資訊與包裝

零件編號遵循以下結構：ELM4XXA(X)-VG。

4XXA：零件編號核心（400V 為 440A，600V 為 460A）。
(X)：捲帶包裝選項。'TA' 或 'TB' 表示不同的捲帶規格。若省略，則以 100 個單位的管裝供應。
-V：選用後綴，表示該單元已通過 VDE 認證。
-G：表示符合無鹵素規範。

標準 SMD 版本（管裝）包含 100 個單位。捲帶包裝選項每捲包含 3000 個單位。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用場景

ELM4XXA 非常適合切換中壓、低電流訊號或負載。例如：

隔離測試設備中的類比或數位訊號線。
在工業控制中切換加熱元件或小型電磁閥。
在電源供應器或馬達驅動器中提供隔離控制輸入。
安全控制面板中低壓邏輯與較高壓周邊電路之間的介面。

7.2 關鍵設計考量

輸入驅動電路：必須始終與 LED 串聯一個電阻以限制電流。其值計算為 (電源電壓 - V_F) / 期望的 I_F。為確保可靠關斷，控制電路應將 LED 陰極電壓拉至非常接近陽極電壓，以最小化任何可能無意中導通輸出的漏電流。
輸出負載考量：此繼電器設計用於直流負載切換。對於交流負載，需要額外的保護（如緩衝電路），且額定電壓指的是峰值電壓，而非 RMS 值。負載電流必須根據圖 1，基於預期的最高環境溫度進行降額。導通狀態下的功耗 (I_L²* R_d(ON)) 必須在操作溫度下計算（使用圖 2 中的 R_d(ON)），以確保其不超過 P_out.
額定值。熱管理：
雖然封裝很小，但確保引腳周圍（特別是腳位 3 和 4）有足夠的 PCB 銅箔面積有助於散熱，並提高電流處理能力和使用壽命。電壓餘裕：_L為了可靠的長期操作，施加在輸出端的穩態電壓 (V

) 應有足夠的餘裕低於額定崩潰電壓（400V 或 600V），特別是在存在電壓暫態的環境中。

8. 技術比較與差異化

與傳統的電磁繼電器 (EMR) 相比，ELM4XXA 提供了更長的使用壽命（數十億次 vs. 數百萬次）、更快的切換速度、無聲操作以及更好的抗衝擊/振動能力。與其他具有電晶體輸出的 SSR 或光耦合器相比，其 MOSFET 輸出提供了更低的導通電阻，並且可以以最小的偏移電壓切換交流和直流負載。4-pin SOP 封裝是此類電壓和電流額定值的 SSR 中尺寸最小的之一，可顯著節省空間。包含主要國際安全機構（UL、cUL、VDE 等）的認證，簡化了全球市場最終產品的認證流程。

9. 常見問題解答（基於技術參數）

9.1 此繼電器能否切換交流負載？

輸出 MOSFET 具有本體二極體。在標準配置中，該元件主要用於直流負載切換。對於交流切換，可以將兩個元件背對背連接（源極對源極），或者必須由外部電路管理雙向電流。額定電壓適用於交流波形的峰值電壓。

9.2 為何 600V 版本 (ELM460A) 的負載電流低於 400V 版本 (ELM440A)？_{較高電壓的 MOSFET 通常具有較高的單位面積導通電阻 (R}ds(on)_{* 面積)。為了適應相同的小型封裝，額定 600V 的 MOSFET 晶片將具有更高的 R}d(ON)²（40-70 Ω vs. 20-30 Ω）。對於給定的電流，600V 元件的功耗 (I

R) 更高。為了將接面溫度保持在安全限度內並維持可靠性，必須降低最大連續電流。

9.3 如何確保繼電器完全關斷？_{確保控制電路將通過輸入 LED 的電流降低到最大 I}F(off)

規格（典型值 0.6 mA）以下。實際上，這意味著將 LED 陰極驅動到非常接近其陽極電壓，或者使用足夠大的串聯電阻，將任何殘留電壓差限制在此閾值以下的電流。避免輸入端浮接。

10. 實務設計案例分析情境：

為一個工業控制器中的 24V DC、80mA 電磁閥設計一個低側開關，最高環境溫度為 60°C。控制訊號來自微控制器的 3.3V。元件選擇：

選擇 ELM440A（400V 額定值），因為其電流能力較高。24V 負載完全在其電壓額定值範圍內。熱降額：

根據圖 1，在 60°C 時，ELM440A 可以處理其 120mA 額定值的大約 90-95%。80mA 約為額定值的 67%，這是可接受的。輸入電路設計：_F假設 V

= 1.2V。為了提供 10mA 的驅動電流以實現快速切換，串聯電阻 R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω。可以使用標準的 200 Ω 電阻。GPIO 腳位可以直接提供此電流。輸出分析：_{在 60°C 時，根據圖 2，R}d(ON)²約為 22-23 Ω。功耗 P = (0.08A)_{* 23Ω = 0.147W。這遠低於 P}out

額定值 500mW。繼電器上的電壓降 = 0.08A * 23Ω = 1.84V，留給電磁閥的電壓為 22.16V。佈局：

遵循建議的焊盤佈局，並將汲極/源極腳位（3 & 4）連接到足夠大的銅箔區域以幫助散熱。

11. 工作原理

ELM4XXA 基於光隔離原理運作。當順向電流施加到輸入端的 AlGaAs 紅外線 LED 時，它會發光。此光被隔離輸出側的光電二極體陣列檢測到。該陣列產生足夠的開路電壓，以完全增強構成輸出開關的 N 通道功率 MOSFET 的閘極。當 LED 電流移除時，光電電壓衰減，MOSFET 閘極通過內部路徑放電，從而關斷輸出開關。此機制在輸入和輸出電路之間提供了數千伏的電氣隔離，保護敏感的控制電子設備免受負載側高壓暫態的影響。

12. 技術趨勢

LED規格術語詳解

LED技術術語完整解釋

一、光電性能核心指標

術語	單位/表示	通俗解釋	為什麼重要
光效（Luminous Efficacy）	lm/W（流明/瓦）	每瓦電能發出的光通量，越高越節能。	直接決定燈具的能效等級與電費成本。
光通量（Luminous Flux）	lm（流明）	光源發出的總光量，俗稱"亮度"。	決定燈具夠不夠亮。
發光角度（Viewing Angle）	°（度），如120°	光強降至一半時的角度，決定光束寬窄。	影響光照範圍與均勻度。
色溫（CCT）	K（開爾文），如2700K/6500K	光的顏色冷暖，低值偏黃/暖，高值偏白/冷。	決定照明氛圍與適用場景。
顯色指數（CRI / Ra）	無單位，0–100	光源還原物體真實顏色的能力，Ra≥80為佳。	影響色彩真實性，用於商場、美術館等高要求場所。
色容差（SDCM）	麥克亞當橢圓步數，如"5-step"	顏色一致性的量化指標，步數越小顏色越一致。	保證同一批燈具顏色無差異。
主波長（Dominant Wavelength）	nm（奈米），如620nm（紅）	彩色LED顏色對應的波長值。	決定紅、黃、綠等單色LED的色相。
光譜分佈（Spectral Distribution）	波長 vs. 強度曲線	顯示LED發出的光在各波長的強度分佈。	影響顯色性與顏色品質。

二、電氣參數

術語	符號	通俗解釋	設計注意事項
順向電壓（Forward Voltage）	Vf	LED點亮所需的最小電壓，類似"啟動門檻"。	驅動電源電壓需≥Vf，多個LED串聯時電壓累加。
順向電流（Forward Current）	If	使LED正常發光的電流值。	常採用恆流驅動，電流決定亮度與壽命。
最大脈衝電流（Pulse Current）	Ifp	短時間內可承受的峰值電流，用於調光或閃光。	脈衝寬度與佔空比需嚴格控制，否則過熱損壞。
反向電壓（Reverse Voltage）	Vr	LED能承受的最大反向電壓，超過則可能擊穿。	電路中需防止反接或電壓衝擊。
熱阻（Thermal Resistance）	Rth（°C/W）	熱量從晶片傳到焊點的阻力，值越低散熱越好。	高熱阻需更強散熱設計，否則結溫升高。
靜電放電耐受（ESD Immunity）	V（HBM），如1000V	抗靜電打擊能力，值越高越不易被靜電損壞。	生產中需做好防靜電措施，尤其高靈敏度LED。

三、熱管理與可靠性

術語	關鍵指標	通俗解釋	影響
結溫（Junction Temperature）	Tj（°C）	LED晶片內部的實際工作溫度。	每降低10°C，壽命可能延長一倍；過高導致光衰、色漂移。
光衰（Lumen Depreciation）	L70 / L80（小時）	亮度降至初始值70%或80%所需時間。	直接定義LED的"使用壽命"。
流明維持率（Lumen Maintenance）	%（如70%）	使用一段時間後剩餘亮度的百分比。	表徵長期使用後的亮度保持能力。
色漂移（Color Shift）	Δu′v′ 或麥克亞當橢圓	使用過程中顏色的變化程度。	影響照明場景的顏色一致性。
熱老化（Thermal Aging）	材料性能下降	因長期高溫導致的封裝材料劣化。	可能導致亮度下降、顏色變化或開路失效。

四、封裝與材料

術語	常見類型	通俗解釋	特點與應用
封裝類型	EMC、PPA、陶瓷	保護晶片並提供光學、熱學介面的外殼材料。	EMC耐熱好、成本低；陶瓷散熱優、壽命長。
晶片結構	正裝、倒裝（Flip Chip）	晶片電極佈置方式。	倒裝散熱更好、光效更高，適用於高功率。
螢光粉塗層	YAG、矽酸鹽、氮化物	覆蓋在藍光晶片上，部分轉化為黃/紅光，混合成白光。	不同螢光粉影響光效、色溫與顯色性。
透鏡/光學設計	平面、微透鏡、全反射	封裝表面的光學結構，控制光線分佈。	決定發光角度與配光曲線。

五、質量控制與分檔

術語	分檔內容	通俗解釋	目的
光通量分檔	代碼如 2G、2H	按亮度高低分組，每組有最小/最大流明值。	確保同一批產品亮度一致。
電壓分檔	代碼如 6W、6X	按順向電壓範圍分組。	便於驅動電源匹配，提高系統效率。
色區分檔	5-step MacAdam橢圓	按顏色坐標分組，確保顏色落在極小範圍內。	保證顏色一致性，避免同一燈具內顏色不均。
色溫分檔	2700K、3000K等	按色溫分組，每組有對應的坐標範圍。	滿足不同場景的色溫需求。

六、測試與認證

術語	標準/測試	通俗解釋	意義
LM-80	流明維持測試	在恆溫條件下長期點亮，記錄亮度衰減數據。	用於推算LED壽命（結合TM-21）。
TM-21	壽命推演標準	基於LM-80數據推算實際使用條件下的壽命。	提供科學的壽命預測。
IESNA標準	照明工程學會標準	涵蓋光學、電氣、熱學測試方法。	行業公認的測試依據。
RoHS / REACH	環保認證	確保產品不含有害物質（如鉛、汞）。	進入國際市場的准入條件。
ENERGY STAR / DLC	能效認證	針對照明產品的能效與性能認證。	常用於政府採購、補貼項目，提升市場競爭力。

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