8-Pin SOP 雙通道高速 10Mbit/s 邏輯閘光耦合器 EL063X 系列規格書 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

EL063X 系列為一系列雙通道、高速邏輯閘光耦合器（光隔離器）。此元件旨在為兩個電路之間提供穩健的電氣隔離與高速數位訊號傳輸。其核心功能是透過紅外線發光二極體（LED）與具備邏輯閘輸出的高速積體光電偵測器進行光耦合，藉此跨越隔離屏障傳輸邏輯位準訊號。此設計能有效斷開接地迴路、防止雜訊傳輸，並保護敏感電路免受電壓突波或接地電位差的影響。

此元件主要應用於工業自動化、通訊介面、電源供應控制及電腦周邊設備等領域，這些應用皆對可靠、抗雜訊的訊號傳輸至關重要。單一封裝內的雙通道配置，為差動訊號應用或多條控制線路的隔離提供了節省空間的優勢，並確保了通道特性的一致性。

2. 技術參數深入解析

電氣與光學參數定義了光耦合器的工作邊界與性能。

2.1 絕對最大額定值

這些是任何情況下（即使是瞬間）均不得超過的應力極限。超出這些額定值操作可能導致永久性損壞。

• 輸入順向電流（I_F)）：20 mA DC/平均值。此為流經輸入 LED 的最大電流限制。
• 輸入逆向電壓（V_R)）：5 V。輸入 LED 可承受的最大逆向偏壓。
• 輸出電流（I_O)）：50 mA。輸出電晶體可吸入的最大電流。
• 輸出電壓（V_O）與電源電壓（V_CC)）：7.0 V。可施加於輸出側腳位的最大電壓。
• 隔離電壓（V_ISO)）：3750 V_rms，持續 1 分鐘。此為關鍵的安全參數，表示輸入與輸出側之間隔離屏障的介電強度，測試時將腳位 1-4 短路、腳位 5-8 短路。
• 工作溫度（T_OPR)）：-40°C 至 +100°C。保證元件正常運作的環境溫度範圍。
• 儲存溫度（T_STG)）：-55°C 至 +125°C。

2.2 電氣特性

這些參數在指定的工作條件下（除非註明，否則 Ta = -40°C 至 85°C）獲得保證。

2.2.1 輸入特性

• 順向電壓（V_F)）：典型值 1.4V，在 I_F= 10 mA 時最大值為 1.8V。此值用於計算輸入 LED 驅動電路所需的串聯電阻。
• V_F的溫度係數：約 -1.8 mV/°C。LED 順向電壓隨溫度升高而降低。
• 輸入電容（C_IN)）：典型值 60 pF。此寄生電容會影響輸入側的高頻性能。

2.2.2 輸出與傳輸特性

• 電源電流（I_CCH/I_CCL)）：輸出 IC 消耗的靜態電流。I_CCH（輸出高電位）典型值為 13 mA（最大 18 mA）。I_CCL（輸出低電位）在 V_CC= 5.5V 時典型值為 15 mA（最大 21 mA）。此參數對於電源預算計算很重要。
• 高電位輸出電流（I_OH)）：輸出在維持高邏輯位準（V_O接近 V_CC）時，最大可提供 100 µA 的電流。此為較弱的電流提供能力。
• 低電位輸出電壓（V_OL)）：在 I_F= 5mA 且 I_CL= 13mA 時，最大值為 0.6V。此定義了當輸出電晶體主動吸入電流時的電壓位準，確保與 TTL/CMOS 邏輯低電位閾值相容。
• 輸入臨界電流（I_FT)）：最大值 5 mA。此為在指定條件下，保證輸出切換至有效低電位狀態（V_O≤ 0.6V）所需的輸入電流。設計者必須確保驅動電路至少提供此電流，以實現可靠的切換。

2.3 開關特性

這些參數定義了高速數位性能，測量於標準測試條件下（Ta=25°C, V_CC=5V, I_F=7.5mA, C_L=15pF, R_L=350Ω）。

• 傳播延遲（t_PHL, t_PLH)）：各自最大值 100 ns。t_PHL是從輸入 LED 導通（電流上升）到輸出下降的延遲。t_PLH是從輸入 LED 關斷（電流下降）到輸出上升的延遲。這些延遲限制了最大資料傳輸率。
• 脈衝寬度失真（|t_PHL– t_PLH|）：最大值 35 ns。此上升與下降延遲之間的不對稱性會扭曲傳輸脈衝的責任週期，這在對時序敏感的應用中至關重要。
• 輸出上升/下降時間（t_r, t_f)）：t_r典型值為 40 ns（10% 至 90%），t_f典型值為 10 ns（90% 至 10%）。較快的下降時間是主動下拉輸出級的特性。
• 共模暫態耐受度（CMTI）：此為在馬達驅動器或交換式電源供應器等嘈雜環境中，抗雜訊能力的關鍵參數。它衡量元件抑制跨越隔離屏障出現的快速電壓暫態的能力。
  • EL0630：最小值 5000 V/µs。
  • EL0631：最小值 10000 V/µs。此更高的 CMTI 使 EL0631 適用於電氣雜訊更嚴苛的應用。
  • 此耐受度針對輸出高電位（CM_H）與輸出低電位（CM_L）狀態均有規定，確保輸出在暫態事件期間不會誤觸發。

3. 性能曲線分析

雖然提供的 PDF 摘錄提及典型電光特性曲線，但具體圖表並未包含於本文中。通常，光耦合器的此類曲線會包括：

• 電流傳輸比（CTR）對順向電流（I_F)）：顯示不同驅動位準下的光耦合效率（輸出電流 / 輸入電流）。
• 傳播延遲對順向電流（I_F)）：說明開關速度如何隨 LED 驅動電流變化。較高的 I_F通常會降低傳播延遲。
• 傳播延遲對溫度：顯示開關速度的溫度依賴性。
• 輸出飽和電壓對輸出電流：描述輸出電晶體在吸入電流時的性能。

設計者應參考附有圖表的完整規格書，以了解這些關係，從而優化其特定應用，例如在速度與 LED 電流/功耗之間進行權衡。

4. 機械與封裝資訊

元件封裝於標準 8-pin 小外形封裝（SOP 或 SOIC）中。此表面黏著封裝符合常見的 SO8 佔位面積，便於 PCB 佈局與組裝。

4.1 腳位配置

腳位定義如下：

• 腳位 1：陽極（通道 1 輸入 LED）
• 腳位 2：陰極（通道 1 輸入 LED）
• 腳位 3：陰極（通道 2 輸入 LED）
• 腳位 4：陽極（通道 2 輸入 LED）
• 腳位 5：接地（GND）- 輸出側共地。
• 腳位 6：V_OUT2（通道 2 輸出）
• 腳位 7：V_OUT1（通道 1 輸出）
• 腳位 8：V_CC（輸出側電源電壓，典型值 +5V）

重要注意事項：輸入與輸出側完全隔離。腳位 1-4 位於隔離的輸入側，腳位 5-8 位於隔離的輸出側。PCB 佈局必須在兩組腳位及其相關走線之間保持足夠的沿面距離與間隙距離，以維持隔離等級。

5. 焊接與組裝指南

此元件適用於標準表面黏著組裝製程。

• 焊接溫度：最大允許焊接溫度為 260°C，持續 10 秒。此與典型的無鉛迴焊溫度曲線相容。
• 濕度敏感度：雖然摘錄中未明確說明，但大多數塑膠封裝的 SMD 元件具有濕度敏感等級（MSL）。正確的處理、必要時的烘烤以及遵循製造商指南的儲存，對於防止迴焊過程中的爆米花效應至關重要。
• 輸出旁路：一項關鍵設計註記（*3）規定，V_CC電源腳位（8）必須使用 0.1 µF 或更大的電容（具有良好高頻特性的陶瓷或固態鉭質電容）進行旁路。此電容必須盡可能靠近腳位 8（V_CC）與腳位 5（GND）放置，以確保穩定運作並最小化電源軌上的開關雜訊。

6. 應用建議

6.1 典型應用電路

規格書列出了幾個關鍵應用：

• 接地迴路消除：主要功能，隔離兩個子系統的接地，以防止環流與雜訊。
• 邏輯位準轉換/介面：可在不同邏輯系列（例如，從 LSTTL 到 TTL 或 5V CMOS）之間提供介面，同時提供隔離。
• 資料傳輸與線路接收器：適用於隔離式串列資料鏈路（例如，RS-232、RS-485 隔離）、數位 I/O 隔離與多工傳輸。
• 交換式電源供應器回授：在返馳式或其他隔離式轉換器拓撲中，將回授訊號從次級（輸出）側隔離至初級（控制器）側。
• 脈衝變壓器替代方案：為跨越隔離屏障傳輸數位脈衝提供了一種固態、可能更可靠且更緊湊的替代方案。
• 電腦周邊介面：隔離與印表機、工業 I/O 卡或其他周邊設備之間的訊號。

6.2 設計考量

• 輸入驅動電路：必須根據輸入電源電壓（V_IN）、所需的順向電流 I_F以及 LED 的 V_F來計算串聯電阻。R_串聯= (V_IN- V_F) / I_F。I_F必須 ≥ I_FT以保證切換，並可增加至絕對最大額定值以提高速度，但代價是更高的功耗。
• 輸出負載：輸出設計用於驅動標準邏輯負載。上拉電阻 R_L（連接於 V_CC與輸出腳位之間）設定了邏輯高電位與上升時間。較小的 R_L可提供更快的上升時間，但當輸出為低電位時會增加功耗。測試條件使用 R_L=350Ω。
• 功耗：計算輸入側（P_D= V_F* I_F）與輸出側的總功耗，以確保其保持在限制範圍內，特別是在高溫下。
• 通道選擇：對於需要更高共模雜訊耐受度（CMTI ≥ 10,000 V/µs 對比 5,000 V/µs）的應用，請選擇 EL0631 而非 EL0630。

7. 技術比較與差異化

EL063X 系列透過以下幾個關鍵特性在市場中脫穎而出：

• 高速：10 Mbit/s 的能力與 ≤100 ns 的傳播延遲，使其歸類於高速光耦合器，適用於快速數位通訊。
• SOP-8 封裝雙通道：在緊湊的標準封裝中整合了兩個隔離通道，與使用兩個單通道元件相比，節省了電路板空間。
• 高 CMTI：特別是 EL0631 的 10 kV/µs 最小 CMTI，在工業馬達驅動器等電氣嘈雜的環境中是一大優勢，而較低 CMTI 的光耦合器可能會發生故障。
• 寬廣溫度範圍：保證從 -40°C 至 85°C 的性能，工作範圍最高可達 100°C，適用於工業與汽車應用。
• 全面的安全認證：元件獲得多個主要國際安全機構（UL、cUL、VDE、SEMKO 等）的認證，這通常是受監管市場中終端產品的強制性要求。
• 環保合規性：無鹵素（Br/Cl 限制）、無鉛、符合 RoHS 與 REACH 規範，滿足現代環保法規。

8. 常見問題（基於技術參數）

問：使用此光耦合器可達到的最大資料傳輸率是多少？

答：10 Mbit/s 的規格與 100 ns 的最大傳播延遲表明，對於 NRZ 資料，最大理論資料傳輸率約為 5-10 Mbps。實際上，可達到的速率取決於特定的波形、上升/下降時間以及脈衝寬度失真。為了可靠運作，通常保守的設計目標為 1-5 Mbps。

問：我該如何在 EL0630 與 EL0631 之間選擇？

答：主要差異在於共模暫態耐受度（CMTI）。如果您的應用涉及顯著的開關雜訊（例如，靠近馬達驅動器、高功率變頻器、嘈雜的電源供應器），則 EL0631（10 kV/µs）提供更優異的抗雜訊能力。對於雜訊較少的環境，EL0630（5 kV/µs）可能已足夠。

問：為什麼 V_CC?

上需要旁路電容？_CC答：輸出級的高速開關可能會在 V_CC線上造成瞬間電流突波。本地的旁路電容為此電流提供了一個低阻抗源，防止 V

上出現電壓驟降或突波，從而導致運作不穩或雜訊輻射。將其靠近腳位放置對於效果至關重要。

問：我可以使用此元件來隔離類比訊號嗎？答：不行。這是一個邏輯閘

光耦合器。其輸出是數位邏輯位準（高或低），而非輸入電流的線性表示。對於類比隔離，需要使用線性光耦合器（具有光電晶體或光二極體輸出）。

問：描述中提到的可選通輸出目的是什麼？

答：雖然此摘錄中未詳細說明，但可選通輸出通常意味著輸出級具有致能或選通控制。這允許透過第三個控制訊號來開啟/關閉或鎖存輸出，這在多工應用或降低功耗方面很有用。此處的腳位配置並未顯示獨立的選通腳位，因此此功能可能以特定模式內部整合，或是指輸出由輸入訊號本身致能。

9. 工作原理_F工作原理基於光電轉換。當足夠的順向電流（I_L）施加於輸入紅外線發光二極體（IRED）時，它會發射光子。這些光子穿過透明的隔離屏障（通常是模製塑膠化合物）。在輸出側，一個高速矽光電偵測器積體電路接收此光。此 IC 包含一個將光轉換回光電流的二極體。此光電流隨後由內部放大器與比較器電路（邏輯閘）處理，以產生乾淨、明確的數位輸出電壓。當輸入 LED 導通時，輸出被驅動至邏輯低電位狀態（通常透過主動下拉電晶體）。當輸入 LED 關斷時，輸出電路將腳位拉至邏輯高電位狀態（透過外部上拉電阻 R

）。此正邏輯操作總結於提供的真值表中：輸入高電位 = 輸出低電位，輸入低電位 = 輸出高電位。

10. 產業趨勢與背景

• EL063X 系列等光耦合器的發展，受到電子產業幾個關鍵趨勢的驅動：對更高速度與頻寬的需求
• ：隨著工業網路（EtherCAT、PROFINET IRT）與通訊介面的速度提升，隔離器必須跟上步伐。從千位元到兆位元，現在朝向 10+ 兆位元速度的發展趨勢顯而易見。增強的雜訊耐受度
• ：工業與汽車環境的電氣複雜度日益增加，需要具有更高 CMTI 等級的隔離器，以確保在馬達驅動器、交換式電源供應器與射頻源產生的雜訊中可靠運作。微型化與整合²：SOP-8 封裝中的雙通道設計反映了節省 PCB 空間與減少元件數量的需求。進一步的趨勢包括整合更多通道（四通道隔離器），或將隔離與其他功能（如 ADC 驅動器或 I
• C 位準轉換）結合。提升的安全與可靠性標準
• ：各產業更嚴格的安全法規推動了對具有更高隔離電壓、更長運作壽命以及獲得 UL、VDE、CQC 等機構強力認證的元件的需求。替代隔離技術₂：雖然光耦合器技術成熟，但它們面臨來自電容式隔離器（使用 SiO

屏障）與磁性（巨磁阻或變壓器式）隔離器的競爭，後者在速度、功耗與整合密度方面可能具有優勢。然而，光耦合器憑藉其高 CMTI、簡單性與廣為人知的可靠性，仍保持著強勢地位。