8-Pin DIP 寬體封裝高速 10Mbit/s 邏輯閘光耦合器 ELW137 系列規格書

1. 產品概述

ELW137、ELW2601 與 ELW2611 系列是專為需要快速數位訊號隔離的應用所設計的高速邏輯閘光耦合器（光隔離器）。其核心元件為一個紅外線發光二極體，以光學方式耦合至一個帶有邏輯閘輸出的高速積體光電探測器。此元件採用業界標準的 8-Pin 雙列直插式封裝（DIP）寬體形式，亦提供表面黏著元件（SMD）選項。其主要功能是在輸入與輸出電路之間提供電氣隔離，同時以高達每秒 10 百萬位元（Mbit/s）的速度傳輸數位邏輯訊號。

1.1 核心優勢與目標市場

本系列的主要優勢包括其高速能力，使其適用於現代數位通訊介面。它提供高達 5000 V_有效值的高隔離電壓，增強了系統安全性與抗雜訊能力。此元件設計保證在 -40°C 至 +85°C 的寬廣工業溫度範圍內性能穩定。它擁有主要的國際安全認證（UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO），並符合歐盟 REACH 與 RoHS 指令。目標市場包括工業自動化、電信、電腦周邊設備、醫療設備以及交換式電源供應器，這些領域皆對可靠的訊號隔離至關重要。

2. 技術參數深度解析

本節客觀解讀規格書中列出的關鍵電氣與性能參數。

2.1 絕對最大額定值

這些額定值定義了元件的應力極限，超過此極限可能導致永久性損壞。它們並非正常操作條件。

輸入順向電流（I_F)）：50 mA。超過此值可能損壞輸入端的 LED。
反向電壓（V_R)）：5 V。輸入二極體的反向電壓耐受度有限。
電源電壓（V_CC）與輸出電壓（V_O)）：7.0 V。此定義了可施加於輸出側電源與訊號腳位的最大電壓。
隔離電壓（V_ISO)）：5000 V_有效值，持續 1 分鐘。這是一個關鍵的安全參數，表示輸入與輸出側之間的介電強度。
操作溫度（T_OPR)）：-40°C 至 +85°C。此元件額定適用於工業環境。
焊接溫度（T_SOL)）：260°C，持續 10 秒。這對於 PCB 組裝製程非常重要。

2.2 電氣特性

這些是在指定測試條件下，於整個操作溫度範圍內保證的參數。

2.2.1 輸入特性

順向電壓（V_F)）：典型值 1.4V，在 I_F=10mA 時最大值為 1.8V。此值用於設計輸入限流電路。
輸入電容（C_IN)）：典型值 70 pF。這會影響輸入級的高頻響應。

2.2.2 輸出與傳輸特性

電源電流（I_CCH、I_CCL)）：輸出端 IC 消耗 6.5-10mA（高電位輸出）與 8-13mA（低電位輸出）。這決定了輸出側的電源需求。
低電位輸出電壓（V_OL)）：在吸入 13mA 電流時，最大值為 0.6V。這確保了與 TTL 及低電壓 CMOS 邏輯輸入的相容性。
輸入臨界電流（I_FT)）：3.0 至 5.0 mA。這是在最惡劣條件下，保證輸出有效低電位所需的最小輸入 LED 電流。設計時應使用高於最大值的電流。

2.3 開關特性

這些參數定義了對高速資料傳輸至關重要的時序性能。

傳播延遲（t_PHL、t_PLH)）：各自最大值為 100 ns。這限制了最大資料速率。規格書標示其具備 10 Mbit/s 的能力。
脈波寬度失真 |t_PHL- t_PLH||：最大值 40 ns。這種不對稱性可能影響傳輸訊號的工作週期。
上升/下降時間（t_r、t_f)）：t_r典型值為 40 ns，t_f典型值為 10 ns。在此類元件中，較快的下降時間是常見的。
共模暫態抗擾度（CMH, CML）：這是抗雜訊能力的關鍵參數。ELW2611 提供最高的性能（10,000 - 20,000 V/µs），意味著它能夠抑制輸入與輸出接地之間非常快速的電壓突波，而不會導致輸出錯誤。ELW137 的 CMTI 未指定，而 ELW2601 則提供 5,000 V/µs。

3. 腳位配置與功能說明

此元件採用 8-Pin DIP 配置。腳位 1 與 4 為空接（NC）。輸入側由 LED 的腳位 2（陽極）與腳位 3（陰極）組成。輸出側包括腳位 5（接地）、腳位 6（V_OUT- 輸出）、腳位 7（V_E- 致能）以及腳位 8（V_CC- 電源電壓）。致能腳位（V_E）控制輸出。真值表顯示其邏輯：當致能為高電位時，輸出為輸入的反相（低電位有效）。當致能為低電位時，無論輸入為何，輸出均被強制為高電位。規格書要求在腳位 8（V_CC）與腳位 5（GND）之間連接一個 0.1µF 的旁路電容，以確保穩定運作。

4. 應用建議

4.1 典型應用場景

接地迴路消除與邏輯位準隔離：隔離具有不同接地電位的子系統之間的數位訊號，以防止雜訊與接地迴路。
資料傳輸與線路接收器：用於串列通訊鏈路（如 RS-232、RS-485 介面）的隔離。
交換式電源供應器：在返馳式或其他隔離式轉換器拓撲中提供回授隔離。
電腦周邊介面：隔離與印表機、工業 I/O 卡之間的訊號。
脈衝變壓器替代方案：提供一種固態替代方案，用於訊號隔離，且驅動電路更為簡單。

4.2 設計考量

輸入電流設定：必須使用一個串聯電阻來設定輸入 LED 的電流。為保證開關動作，I_F應設定在高於最大 I_FT（5mA）的值。典型的測試條件使用 7.5mA。電阻值計算公式為（V_驅動- V_F） / I_F.
致能腳位使用：致能腳位可用於閘控輸出，若不需要則可連接至固定電壓。其電壓不得超過 V_CC 0.5V 以上。
輸出負載：輸出可吸入高達 13mA 的電流以產生有效的 V_OL。若要驅動更高電流或容性負載，可能需要外部緩衝器。
抗雜訊能力：對於高雜訊環境，應選擇 ELW2611 型號，因其具有優越的共模暫態抗擾度（CMTI）。圖 15 中為 ELW2611 推薦的驅動電路使用電晶體來銳化輸入 LED 電流的邊緣，進一步提升 CMTI 性能。
旁路：輸出側的 0.1µF 電容對於最小化電源雜訊並確保穩定的高速運作至關重要。

5. 技術比較與選型指南

本系列包含三個主要型號：ELW137、ELW2601 與 ELW2611。主要的區別在於共模暫態抗擾度（CMTI）。ELW137 提供基本隔離。ELW2601 提供中等 CMTI（5,000 V/µs）。ELW2611 則提供高 CMTI（10,000 - 20,000 V/µs）。選型應基於應用的電氣雜訊環境。對於馬達驅動器、工業 PLC 或高雜訊電源供應器，建議使用 ELW2611。對於要求較低的數位隔離應用，ELW2601 或 ELW137 可能已足夠。

6. 常見問題解答（基於技術參數）

6.1 可達到的最大資料速率是多少？

雖然此元件規格標示為 10 Mbit/s，但實際可用的最大速率取決於傳播延遲與上升/下降時間。由於最大傳播延遲為 100 ns，方波的理論最大頻率會更低。為了可靠的資料傳輸，需考慮總脈波失真與系統時序餘裕。

6.2 如何計算輸入電阻值？

使用公式：R_IN= (V_驅動- V_F) / I_F。為最惡劣情況設計，假設 V_F為最大值（1.8V）。對於 5V 驅動電壓且 I_F= 10mA，R_IN= (5V - 1.8V) / 0.01A = 320 歐姆。使用最接近的標準值（例如，330 歐姆）。

6.3 可以與 3.3V 邏輯一起使用嗎？

輸出側的 V_CC可由 3.3V 供電。然而，電氣特性是在 V_CC=5.5V 的條件下測試的。參數如 V_OL、I_OH以及傳播延遲在 3.3V 下可能有所不同。輸入側是獨立的；只要達到正確的 I_F，LED 可由 3.3V 電源驅動。

6.4 致能腳位的用途是什麼？

致能腳位（V_E）提供三態控制功能。當其被驅動至低電位（<0.8V）時，會強制輸出為高電位，有效地停用從輸入到輸出的訊號路徑。這可用於將多個隔離器的輸出多工到單一匯流排線路上，或用於省電模式。

7. 實務設計案例

情境：在一個工業感測器節點中，隔離一個 3.3V 微控制器與一個 5V RS-485 收發器之間的 1 Mbit/s UART 訊號。

設計步驟：

型號選擇：選擇 ELW2611，以應對工業環境中的高雜訊干擾。
輸入電路：微控制器 GPIO（3.3V）驅動 LED。計算電阻：R_IN= (3.3V - 1.8V) / 0.01A = 150 歐姆。使用 150Ω 電阻串聯於 LED 陽極（腳位 2）。陰極（腳位 3）連接至微控制器 GND。
輸出電路：以 5V 為輸出側供電（V_CC腳位 8）。在腳位 8 與腳位 5（GND）之間連接 0.1µF 陶瓷電容。將輸出腳位 6 直接連接到 RS-485 收發器的輸入腳位。收發器的輸入阻抗即作為負載。致能腳位 7 可透過一個 10kΩ 電阻連接到 V_CC（5V）以保持常態啟用，或由另一個 GPIO 驅動以進行控制。
佈局：保持輸入與輸出走線在物理上分離。將旁路電容盡可能靠近腳位 8 與 5 放置。

8. 工作原理

光耦合器基於光學耦合的原理運作。電氣輸入訊號驅動一個紅外線發光二極體（LED）。發出的光被隔離輸出側的光電二極體或光電晶體偵測到。在此邏輯閘光耦合器中，輸出側包含一個更複雜的積體電路。光電探測器的電流被放大並由一個數位邏輯閘（通常是施密特觸發器）處理，以產生乾淨、定義明確的數位輸出訊號。光路徑提供了電氣隔離屏障，因為光可以穿越物理間隙（透過透明的絕緣材料），而電流則不能，從而阻斷了接地迴路與高壓暫態。

9. 產業趨勢

訊號隔離的趨勢正朝著更高速度、更低功耗、更小封裝以及整合功能發展。雖然像此 DIP 封裝的傳統光耦合器仍被廣泛使用，但新技術正逐漸受到青睞。基於 CMOS 技術並採用電容或磁耦合的數位隔離器，提供了顯著更高的資料速率（高達數百 Mbit/s）、更低的傳播延遲、更好的時序對稱性，以及在溫度和時間變化下更高的可靠性。它們還在微小封裝中整合了多個通道。然而，光耦合器在某些領域仍具優勢，例如極高的隔離電壓能力、簡單性，以及在許多標準速度應用中的成本效益。高速、高 CMTI 光耦合器（如 ELW2611）的發展，正是為了滿足高雜訊電力電子與馬達驅動環境中對穩健隔離的需求。

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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