5-Pin SOP 高速 10Mbit/s 邏輯閘光耦合器 ELM6XX 系列規格書 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ELM6XX 系列是一系列專為嚴苛數位隔離應用設計的高性能、高速邏輯閘光耦合器。這些元件整合了一個紅外發光二極體，透過光學耦合至一個帶有邏輯閘輸出級的高速積體光電探測器，並具備可選通輸出功能。採用緊湊的 5-Pin 小型外廓封裝 (SOP)，符合標準業界尺寸，便於整合至現有設計與 PCB 佈局。

此元件的核心功能是在傳輸數位邏輯訊號的同時，為兩個電路提供電氣隔離。這種隔離對於斷開接地迴路、保護敏感的邏輯電路免受系統其他部分存在的電壓突波與雜訊影響，以及在具有高共模電壓的應用中確保安全至關重要。

1.1 核心優勢與目標市場

ELM6XX 系列具備多項關鍵優勢，使其適用於現代電子系統。其 10 Mbit/s 的高速能力使其可用於快速資料通訊介面。該元件保證在 -40°C 至 +85°C 的寬廣工作溫度範圍內性能穩定，確保在工業與汽車環境中的可靠性。高達 3750 V_有效值的隔離電壓提供了強健的保護。此外，該系列符合主要的環境與安全標準，包括無鹵素、無鉛、符合 RoHS 規範，並獲得 UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO 和 FIMKO 認證。

主要目標市場與應用包括：

• 工業自動化：用於將 PLC I/O、馬達驅動器和感測器介面與控制邏輯隔離。
• 電信與資料傳輸：用於線路接收器和資料多工系統以消除雜訊。
• 電力電子：作為交換式電源供應器回授迴路中脈衝變壓器的可靠替代品。
• 電腦周邊設備：用於具有不同接地電位的系統之間的介面連接。
• 通用數位介面：用於邏輯家族（如 LSTTL、TTL 和 5V CMOS）之間的電平轉換與隔離。

2. 深入技術參數分析

本節對規格書中指定的關鍵電氣與性能參數提供詳細、客觀的解讀。理解這些參數對於正確的電路設計和確保可靠運作至關重要。

2.1 絕對最大額定值

絕對最大額定值定義了可能對元件造成永久損壞的應力極限。這些並非工作條件。

• 輸入順向電流 (I_F)：50 mA。超過此電流可能會損壞內部紅外發光二極體 (IRED)。
• 輸入逆向電壓 (V_R)：5 V。IRED 對逆向偏壓敏感；必須嚴格遵守此限制。
• 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和輸出腳位的最大電壓。
• 隔離電壓 (V_ISO)：3750 V_有效值，持續 1 分鐘。這是一個關鍵的安全參數，測試時將輸入腳位 (1,3) 短路，輸出腳位 (4,5,6) 短路。它驗證了內部絕緣屏障的介電強度。
• 工作與儲存溫度：元件額定工作溫度為 -40°C 至 +85°C，儲存溫度為 -55°C 至 +125°C。
• 焊接溫度：260°C 持續 10 秒。這對於使用迴流焊的 PCB 組裝製程很重要。

2.2 電氣特性

這些參數定義了元件在正常工作條件下的性能 (除非註明，T_A= -40°C 至 85°C)。

2.2.1 輸入特性 (IRED 側)

• 順向電壓 (V_F)：典型值 1.45V，在 I_F=10mA 時最大值為 1.8V。此值用於計算輸入側所需的限流電阻。
• V_F:的溫度係數：
• 約為 -1.9 mV/°C。順向電壓隨溫度升高而略微下降。_IN輸入電容 (C)：

典型值 70 pF。這會影響輸入電路的高頻響應與驅動要求。

• 2.2.2 輸出與傳輸特性 I_CCH電源電流：_CCLI_CC(輸出高電位) 典型值為 6.0 mA，I
• (輸出低電位) 在 V_OH=5.5V 時典型值為 7.5 mA。這些值決定了輸出側的功耗。高電位輸出電流 (I
• )：_OL當輸出處於高電位狀態時，可提供非常小的電流 (典型值 2.1 µA)。此元件設計用於驅動高阻抗 CMOS 輸入，而非提供顯著電流。低電位輸出電壓 (V
• )：_FT典型值 0.4V，在吸入 13mA 時最大值為 0.6V。這定義了一個穩固的邏輯 '0' 電平。輸入臨界電流 (I_OL)：

典型值 2.4 mA，最大值 5 mA。這是在指定負載條件下，保證輸出切換至有效低電位狀態 (V

≤ 0.6V) 所需的最小輸入電流。這是確保抗雜訊能力的關鍵參數。_CC2.3 開關特性_F這些參數定義了光耦合器的動態性能，在標準條件下測量 (V_L=5V, I_L=7.5mA, C

• =15pF, R_PHL=350Ω)。_PLH傳播延遲 (t, t_PLH)：_PHL從輸入電流轉變的 50% 點到輸出電壓相應轉變點的時間。t
• (轉至高電位) 典型值為 50 ns，t_PHL(轉至低電位) 典型值為 41 ns，兩者最大值均為 100 ns。這些延遲限制了最大資料傳輸率。_PLH脈衝寬度失真 (|t– t
• |)：_r典型值 9 ns，最大值 35 ns。這種上升/下降延遲的不對稱性可能會在高頻下使輸出脈衝變窄。_f上升/下降時間 (t, t
• )：輸出上升時間典型值為 40 ns，下降時間典型值為 10 ns。更快的邊緣通常對訊號完整性更有利。_{共模暫態抗擾度 (CMH, CML)：}這是隔離元件的關鍵參數。它衡量輸出狀態對跨越隔離屏障的快速電壓暫態的抗擾能力。例如，ELM601 可以承受 5,000 V/µs 的 dV/dt 和 50V 峰對峰的共模訊號而不會錯誤改變狀態。ELM611 提供更高的抗擾度 (在 1000V

峰對峰

時為 20,000 V/µs)。

• 3. 機械與封裝資訊元件採用 5-Pin 小型外廓封裝 (SOP)。腳位配置如下：
• 腳位 1：輸入 IRED 的陽極。
• 腳位 2：未連接 (NC)。
• 腳位 3：輸入 IRED 的陰極。
• 腳位 4：輸出側的地線 (GND)。_OUT腳位 5：
• 輸出電壓 (V)。_CC腳位 6：

輸出側的電源電壓 (V

)。

規格書包含詳細的封裝尺寸圖 (以毫米為單位)，設計 PCB 焊盤佈局時必須參考。同時提供了建議的表面黏著組裝焊盤佈局，以確保可靠的焊接與機械穩定性。

4. 焊接與組裝指南

• 正確的處理與組裝對於可靠性至關重要。元件額定最高焊接溫度為 260°C 持續 10 秒，符合標準無鉛迴流焊溫度曲線 (例如 IPC/JEDEC J-STD-020)。
• 關鍵考量：
• 使用建議的焊盤佈局，以防止迴流焊過程中發生墓碑效應或錯位。
• 遵守指定的溫度曲線，以避免對內部晶片和塑膠封裝造成熱損傷。

處理時遵循標準的靜電放電 (ESD) 預防措施，因為元件包含敏感的半導體組件。

根據儲存溫度額定值 (-55°C 至 +125°C)，將元件儲存在乾燥、受控的環境中。

• 5. 包裝與訂購資訊ELM6XX 系列提供不同的包裝選項以滿足生產需求：
• 標準選項 (無)：元件以防靜電管供應，每管 100 個。

捲帶包裝選項 (TA/TB)：元件以捲帶包裝供應，適用於自動化取放組裝，每捲 3000 個。'TA' 和 'TB' 可能指不同的捲盤尺寸或捲帶規格。

• 零件編號系統：ELM6XX(Z)-V
• XX：特定零件編號 (00, 01, 或 11)。這些區分不同型號，可能基於共模暫態抗擾度等級 (例如 ELM600, ELM601, ELM611)。
• Z：捲帶包裝選項 (TA, TB，或無代表管裝)。

V：

可選的 VDE 認證標記。

6. 應用建議與設計考量_OUT6.1 典型應用電路_CC主要應用是數位訊號隔離。典型電路包括一個與輸入 IRED 串聯的限流電阻，連接到邏輯訊號。輸出腳位 (V_L) 透過一個上拉電阻 (R_L) 連接到 V

，並驅動接收邏輯閘的輸入。R

• 的值 (例如 350Ω) 和負載電容會影響開關速度。6.2 關鍵設計注意事項_F輸入電流：_FT確保輸入電流 (I_F) 達到或超過最大輸入臨界電流 (I
• )，以保證輸出為低電位，但不得超過絕對最大額定值。典型的工作 I通常為 7.5mA 至 10mA。
• 抗雜訊能力：對於雜訊環境，請選擇具有更高共模暫態抗擾度的型號 (ELM601 或 ELM611)，以適應應用中預期的雜訊水平。_CC電源去耦：
• 在輸出側的 V和 GND 腳位附近使用旁路電容 (例如 0.1 µF)，以確保穩定運作並最小化開關雜訊。

真值表：

此元件功能為非反相緩衝器。輸入為邏輯高電位 (H) (IRED 導通) 會在輸出端產生邏輯低電位 (L)。輸入為邏輯低電位 (L) (IRED 關閉) 會在輸出端產生邏輯高電位 (H) (由於上拉電阻)。

7. 技術比較與差異化

與標準的 4N25/4N35 系列光耦合器相比，ELM6XX 系列提供了顯著更高的速度 (10 Mbit/s 對比約 100 kbit/s) 和更優異的共模抑制。其邏輯閘輸出提供了乾淨的數位波形，無需光電晶體輸出通常需要的額外施密特觸發電路。5-Pin SOP 封裝比舊式的 DIP 封裝更為緊湊。ELM6XX 系列內部的關鍵差異在於分級的共模暫態抗擾度，允許設計師根據其特定的雜訊環境選擇合適的成本/性能等級。

8. 常見問題 (基於技術參數)

Q1: 使用此光耦合器可以達到的最大資料傳輸率是多少？

A: 典型的傳播延遲允許達到規格中指定的 10 Mbit/s 資料傳輸率。然而，由於脈衝寬度失真以及接收邏輯的建立/保持時間，系統中實際的最大可靠速率會較低。保守的設計目標可能定在 5-8 Mbit/s。

Q2: 我該如何在 ELM600、ELM601 和 ELM611 之間選擇？

A: 選擇主要基於所需的共模暫態抗擾度 (CMTI)。對於低雜訊的基本隔離，使用 ELM600。ELM601 (5,000 V/µs) 適用於工業馬達驅動和電源供應應用。ELM611 (20,000 V/µs) 適用於非常高雜訊的環境，例如高功率變頻器。_OHQ3: 我可以用此元件直接驅動 LED 或繼電器嗎？_OLA: 不行。輸出設計用於驅動高阻抗 CMOS 或 TTL 邏輯輸入。其電流提供/吸入能力有限 (I

非常低，I_L規格為 13mA)。要驅動更高電流的負載，需要額外的緩衝器或電晶體級。

Q4: 我應該使用多大值的上拉電阻 (R_L)？

A: 規格書指定了在 R

=350Ω 下的測試條件。這是一個很好的起點。較小的電阻將提供更快的上升時間，但會增加功耗和輸出電流。較大的電阻將節省電力，但會減慢上升時間。選擇電阻值時必須考慮負載電容和所需的速度。

9. 實際應用案例分析_OUT情境：將微控制器 UART 與 RS-485 收發器隔離。

在一個工業感測器節點中，一個 3.3V 微控制器的 UART TX 線路需要與連接到雜訊較大的長距離匯流排的 5V RS-485 收發器隔離。可以使用 ELM601 來實現此目的。微控制器腳位透過一個限流電阻 (例如 (3.3V - 1.45V)/7.5mA ≈ 247Ω) 驅動 IRED。輸出側由 RS-485 收發器的 5V 電源軌供電。V

腳位透過一個 350Ω 電阻上拉至 5V，直接連接到 RS-485 IC 的驅動器輸入 (DI) 腳位。此設置斷開了敏感微控制器與雜訊匯流排之間的接地連接，保護微控制器免受匯流排引起的暫態影響，並處理從 3.3V 到 5V 的邏輯電平轉換。ELM601 的高 CMTI 確保了儘管匯流排上有雜訊，數位訊號仍能保持完整。

10. 工作原理

此元件基於光電轉換原理運作。施加到輸入側 (腳位 1 和 3) 的電流使紅外發光二極體 (IRED) 發光。此光線穿過內部的透明隔離屏障 (通常是模製塑膠間隙)。在輸出側，一個單片矽光電探測器積體電路接收此光線。該 IC 包含一個光電二極體、一個高增益放大器以及一個邏輯閘輸出級 (可能是圖騰柱或類似結構)。放大器將光電流轉換為電壓，邏輯級對其進行緩衝並輸出為乾淨的數位訊號。提到的可選通輸出功能可能指的是可以鎖定輸出狀態的內部鎖存器或致能功能，但具體細節需要完整的內部電路圖。₂11. 技術趨勢