ELM8XL-G 系列光耦合器規格書 - 5 腳位 SOP 封裝 - 3.3V/5V 供電 - 15MBit/s 高速 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ELM8XL-G 系列代表一個專為現代數位隔離應用所設計的高速邏輯閘輸出光耦合器（光隔離器）家族。此元件的核心功能是在輸入與輸出電路之間提供電氣隔離，同時高速傳輸數位邏輯訊號。它整合了一個輸入側的紅外線發光二極體（LED），該 LED 以光學方式耦合至輸出側的 CMOS 偵測器積體電路。這種光耦合方式消除了電氣連接，提供了高電壓隔離與抗雜訊能力，這在具有不同接地電位或處於嘈雜電氣環境的系統中至關重要。

該元件採用緊湊的表面黏著式 5 腳位小型外型封裝（SOP），適用於自動化組裝製程與空間受限的 PCB 設計。其主要設計目標是促進跨越隔離屏障的可靠、高速資料傳輸，在許多應用中可作為脈衝變壓器的直接替代品，同時在尺寸、成本與整合度方面提供優勢。

1.1 核心優勢與目標市場

ELM8XL-G 系列提供多項關鍵優勢，定義了其在市場上的定位。首先是其高速能力，支援高達每秒 15 百萬位元（MBit/s）的資料傳輸率。這使其適用於現代通訊介面與快速控制訊號。其次是其雙重供電電壓相容性，可正確運作於 3.3V 與 5V CMOS 邏輯位準，為混合電壓系統提供了設計靈活性。第三是其高隔離額定值，達到 3750 V_有效值，確保了在需要防護高電壓暫態或接地電位差異的應用中的安全性與可靠性。

該元件的製造亦符合嚴格的環境與安全標準。它是無鹵素（溴 <900ppm，氯 <900ppm，溴+氯 <1500ppm），符合歐盟 REACH 法規，並且是無鉛且符合 RoHS 規範。它擁有主要國際安全機構的認證，包括 UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO 和 FIMKO，這對於目標全球市場的產品至關重要，特別是在工業、電信與計算設備領域。

目標應用多樣化，且圍繞著訊號隔離的需求：

• 線路接收器與資料傳輸：隔離序列通訊線路（RS-232、RS-485 等），以防止接地迴路與雜訊。
• 資料多工：在多工資料匯流排系統中提供隔離。
• 交換式電源供應器：在返馳式或其他隔離式轉換器拓撲中隔離回授訊號。
• 脈衝變壓器替代：為傳統上使用變壓器進行的訊號隔離提供更小、更整合的解決方案。
• 電腦周邊介面：隔離與印表機、工業 I/O 及其他周邊設備之間的訊號。
• 高速邏輯接地隔離：隔離子系統之間的數位接地，例如微控制器與馬達驅動器之間，以防止雜訊耦合。

2. 深入技術參數分析

透徹理解電氣與開關特性，對於在電路設計中成功實現 ELM8XL-G 光耦合器至關重要。

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。不保證在此條件下運作，應予以避免。

• 輸入順向電流（I_F）：最大值 15 mA。驅動內部 LED 的電流不得超過此值。
• 輸入逆向電壓（V_R）：最大值 5 V。施加於 LED 兩端的逆向電壓必須受到限制。
• 輸入功率損耗（P_D）：輸入側最大 35 mW。
• 輸出功率損耗（P_O）：輸出側 CMOS IC 最大 85 mW。
• 輸出電流（I_O）：輸出腳位的最大汲入/源出電流為 20 mA。
• 供電電壓（V_CC）：最大值 5.5 V。這是可施加於輸出側電源腳位的絕對最大電壓。
• 總功率損耗（P_T）：整個元件的最大總功率損耗為 100 mW。
• 隔離電壓（V_ISO）：在 40-60% 相對濕度下，以特定條件（腳位 1 與 3 短路，腳位 4、5 與 6 短路）測試 1 分鐘，額定值為 3750 V_有效值。這是一項安全額定值。
• 工作溫度（T_OPR）：-40°C 至 +85°C。保證元件在此範圍內符合其公佈的規格。
• 儲存溫度（T_STG）：-55°C 至 +125°C。
• 焊接溫度（T_SOL）：260°C 持續 10 秒，符合典型的無鉛迴焊溫度曲線。

設計注意事項：規格書中指定，V_CC供電必須使用一個 0.1µF 或更大的電容器（陶瓷或固態鉭質電容，具有良好的高頻特性）進行旁路，並盡可能靠近元件的 V_CC與 GND 腳位。這對於高速 CMOS 輸出級的穩定運作與抗雜訊能力至關重要。

2.2 電氣特性

這些參數定義了元件在正常工作條件下的保證性能（除非另有說明，T_A=25°C）。

2.2.1 輸入特性（LED 側）

• 順向電壓（V_F）：典型值 1.4V，在順向電流（I_F）為 8mA 時最大值為 1.8V。此值用於計算輸入側所需的限流電阻值：R_limit= (V_supply- V_F) / I_F.
• 逆向電壓（V_R）：最小值 5.0V。LED 可承受高達 5V 的逆向偏壓。
• V_F的溫度係數（ΔV_F/ΔT_A）：約為 -1.7 mV/°C。順向電壓隨溫度升高而略微下降。
• 輸入電容（C_IN）：典型值 60 pF。這會影響輸入驅動電路的高頻響應。

2.2.2 輸出特性（CMOS IC 側）

• 供電電流（I_CCH、I_CCL）：典型值 1.3mA，最大值 6mA，無論輸出處於高態（I_F=0mA）或低態（I_F=8mA）。這是輸出 IC 從 V_CC.
• 高態輸出電壓（V_OH）：對於 3.3V 供電，當汲入 4mA 時，V_OH保證至少為 V_CC- 1V（即 2.3V），典型值為 V_CC- 0.3V（3.0V）。對於 5V 供電，最小值為 V_CC- 1V（4.0V），典型值為 V_CC- 0.2V（4.8V）。這確保了穩固的邏輯高態位準。
• 低態輸出電壓（V_OL）：對於 3.3V 供電，當源出 4mA（I_OL=8mA）時，V_F典型值為 0.21V，最大值為 0.6V。對於 5V 供電，典型值為 0.17V，最大值為 0.6V。這確保了穩固的邏輯低態位準。
• 輸入臨界電流（I_FT）：保證輸出為邏輯低態所需的 LED 電流。在 V_CC=3.3V 且負載極輕（I_OL=20µA）時，典型值為 2.5mA（最大值 5mA）。設計時應使用遠高於此值的 I_F（例如測試條件中所示的 8mA），以確保可靠的開關與雜訊邊際。

2.3 開關特性

這些參數定義了時序性能，對於高速資料傳輸至關重要。

• 輸出高態傳播延遲（t_PHL）：從輸入 LED 關閉（I_F從 8mA 降至 0mA）到輸出達到有效邏輯高態的時間。在 V_CC=3.3V 時，典型值為 30ns（最大值 65ns）；在 V_CC=5V 時，典型值為 33ns。
• 輸出低態傳播延遲（t_PLH）：從輸入 LED 開啟（I_F從 0mA 升至 8mA）到輸出達到有效邏輯低態的時間。在 V_CC=3.3V 時，典型值為 48ns（最大值 65ns）；在 V_CC=5V 時，典型值為 52ns。
• 脈衝寬度失真（|t_PHL– t_PLH|）：兩個傳播延遲之間的絕對差值。這對於維持脈衝寬度的完整性至關重要。在 3.3V 時，典型值為 20ns（最大值 50ns）；在 5V 時，典型值為 22ns。數值越低越好。
• 輸出上升/下降時間（t_r、t_f）：典型值各為 7ns。這定義了輸出訊號的邊緣速度。
• 共模暫態抗擾度（CMTI）：這是一項關鍵的隔離參數。它衡量元件忽略輸入與輸出接地之間快速電壓暫態的能力。指定了兩個等級：M80L 最小值為 5,000 V/µs，M81L 最小值為 10,000 V/µs。此測試使用 1000V 峰對峰共模電壓（V_CM），確保輸出狀態不會因雜訊而誤觸發。

3. 機械與封裝資訊

3.1 腳位配置與真值表

該元件使用 5 腳位 SOP 封裝，但參考了六個腳位編號（1-6，其中腳位 2 可能為空接或內部連接）。功能腳位如下：

• 腳位 1：輸入 LED 的陽極。
• 腳位 3：輸入 LED 的陰極。
• 腳位 4：輸出 CMOS IC 的接地。
• 腳位 5：_OUTV
• 腳位 6：_CCV

該元件實現了非反相邏輯閘功能（正邏輯）：

• 輸入高態（LED 開啟，I_F> I_FT）：輸出 = 低態
• 輸入低態（LED 關閉，I_F= 0）：輸出 = 高態

這是一個電流汲入輸入；必須驅動電流進入 LED 才能產生低態輸出。

3.2 封裝尺寸與 PCB 佈局

規格書提供了 5 腳位 SOP 封裝的詳細機械圖。關鍵尺寸包括本體尺寸、引腳間距與離板高度。同時也提供了表面黏著的建議焊墊佈局。此佈局旨在確保迴焊過程中形成可靠的焊點。規格書註明，這些焊墊尺寸僅為建議，可能需要根據特定的 PCB 製造製程或熱需求進行修改，但它們是設計的絕佳起點。

3.3 元件標記

封裝頂部以雷射或油墨代碼標記以供識別。標記格式如下：EL M81L YWW V.

• EL：製造商代碼。
• M81L：元件編號（對應於 CMTI 等級與型號）。
• Y：一位數年份代碼。
• WW：兩位數週數代碼。
• V：表示 VDE 認證的可選標記。

4. 應用指南與設計考量

4.1 輸入電路設計

輸入電路必須為 LED 提供受控電流。一個簡單的串聯電阻即足夠。其阻值根據驅動電壓與所需的 I_F計算。例如，要從一個 5V 邏輯訊號驅動 I_F= 8mA，假設典型 V_F為 1.4V：R_limit= (5V - 1.4V) / 0.008A = 450Ω。一個標準的 470Ω 電阻將是合適的。確保驅動源能夠提供必要的電流。若從微控制器 GPIO 腳位驅動，請確認腳位的電流源出能力。若不足，可能需要一個簡單的電晶體緩衝器（例如 NPN 或 N 通道 MOSFET）。

4.2 輸出電路設計

輸出是一個標準的 CMOS 數位輸出。它可以直接驅動 CMOS、TTL 或 LVCMOS 輸入。關鍵要求如下：

1. 電源旁路：如規格書所強調，必須在腳位 6（V_CC）與腳位 4（GND）之間直接放置一個 0.1µF 陶瓷電容。這對於穩定的高速運作與防止輸出雜訊是不可妥協的。
2. 負載考量：輸出可汲入/源出高達 20mA 電流，但為了獲得最佳速度與訊號完整性，負載應主要為電容性（例如另一個閘極的輸入電容）。驅動重電阻性負載或長走線將增加上升/下降時間，並可能影響時序邊際。
3. 上拉電阻：不需要，因為輸出會主動驅動高態與低態。

4.3 速度與時序考量

對於 15 MBit/s 的資料傳輸率，位元週期約為 66.7ns。通過光耦合器的總訊號延遲是 t_PLH或 t_PHL加上部分上升/下降時間的總和。典型延遲約為 30-50ns，對於此資料傳輸率有足夠的邊際。然而，脈衝寬度失真很重要。20ns 的失真意味著脈衝在通過隔離器後將被縮窄或加寬該數值。對於非常窄的脈衝，如果失真大於脈衝寬度，可能導致脈衝消失。對於時序關鍵的設計，務必考慮最大值，而非典型值。

4.4 隔離與安全設計

3750V_有效值的隔離額定值是一項安全要求。為了在最終產品中維持此額定值，PCB 佈局至關重要。確保 PCB 上所有輸入側走線/元件與輸出側走線/元件之間的沿面距離與間隙距離符合或超過系統工作隔離電壓的要求（該電壓低於 3750V_有效值測試電壓）。這通常意味著在光耦合器封裝下方的 PCB 上設置寬槽或隔離屏障。請參考相關安全標準（例如 IEC 60950、IEC 61010），根據電壓、污染等級與材料組別獲取具體的距離要求。

5. 訂購資訊與包裝

料號結構如下：ELM8XL(Z)-V.

• ELM8XL：基礎料號。
• (Z)：捲帶包裝選項。可以是 "TA"、"TB"，或省略表示管裝。
• -V：表示包含 VDE 認證的可選後綴。

包裝選項：

• 管裝：每管 100 個單位。適用於手動或小批量組裝。
• 捲帶包裝（TA 或 TB）：每捲 3000 個單位。"TA" 與 "TB" 可能指不同的捲盤尺寸或帶寬（例如 8mm 與 12mm）。此選項適用於自動化取放組裝。

規格書包含詳細的捲帶包裝規格，包括凹槽尺寸（A、B、D0、D1）、間距（P0、P1、P2）、帶厚（t）與捲盤寬度（W）。這些尺寸對於在自動化組裝機上設定送料器程式至關重要。

6. 性能曲線與典型特性

雖然 PDF 摘錄提到典型光電特性曲線，但提供的文本中未包含具體圖表。通常，此類規格書會包含以下曲線：

• 順向電流（I_F）對順向電壓（V_F）：顯示輸入 LED 在不同溫度下的二極體特性。
• 電流傳輸比（CTR）對順向電流：雖然這是數位元件，但仍存在某種形式的 CTR——即 I_F與最終輸出狀態之間的關係。臨界電流 I_FT是關鍵參數。
• 傳播延遲對供電電壓（V_CC）：時序參數如何隨 V_CC.
• 傳播延遲對溫度：時序參數如何隨工作溫度範圍變化。
• 供電電流（I_CC）對溫度：靜態電流隨溫度的變化。

設計師應使用表格中的最小值與最大值進行穩健設計，僅使用典型曲線來理解趨勢與行為。

7. 比較與技術背景

ELM8XL-G 屬於高速數位光耦合器類別。與具有電晶體或達靈頓輸出的舊式光耦合器相比，其 CMOS 邏輯閘輸出提供了更快的開關速度、更銳利的邊緣與定義明確的邏輯位準。與脈衝變壓器相比，它提供了更小的佔位面積、直流耦合能力（變壓器無法傳遞直流訊號），且通常成本更低。與較新的隔離技術（如電容式（數位隔離器）或巨磁阻（GMR）隔離器）相比，像 ELM8XL-G 這樣的光耦合器具有可靠性經過驗證、固有隔離強度極高以及不受磁場影響的優勢。權衡點在於，與最新的半導體隔離器相比，其速度通常較慢且功耗較高（由於 LED 驅動電流）。選擇取決於應用對速度、功耗、成本與抗雜訊能力的具體要求。

8. 常見問題（FAQ）

問：我可以用 3.3V 輸入訊號來驅動 LED 嗎？

答：可以，但必須重新計算限流電阻。對於 3.3V 驅動且 V_F約為 1.4V，要得到 I_F=8mA，R = (3.3V - 1.4V) / 0.008A = 237.5Ω。使用 240Ω 電阻。確保 3.3V 電源能提供 8mA 電流。

問：M80L 與 M81L 版本有何區別？

答：主要區別在於共模暫態抗擾度（CMTI）。M81L 版本保證最小值為 10,000 V/µs，而 M80L 保證 5,000 V/µs。對於雜訊較大的環境，例如馬達驅動或工業電力系統，請選擇 M81L。

問：輸出端需要外部上拉電阻嗎？

答：不需要。輸出是一個主動推挽式 CMOS 級，可驅動高態與低態。外部上拉電阻是不必要的，只會增加功耗。

問：如何在 PCB 設計中確保維持高隔離額定值？

答：您必須在所有輸入側導體與所有輸出側導體之間保持足夠的沿面距離（沿表面的距離）與間隙距離（空氣間隙）。這通常需要在光耦合器本體下方的 PCB 上設置物理間隙或開槽。具體距離取決於您應用程式的工作電壓以及必須符合的安全標準。

問：輸出腳位（5）可以直接連接到另一個裝置的輸入嗎？還是需要串聯電阻？

答：可以直接連接。輸出設計用於驅動標準數位輸入。通常不需要串聯電阻，它會減慢訊號邊緣速度。