6-Pin SDIP 高速 10MBit/s 邏輯閘光耦合器 ELS611-G 系列規格書 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ELS611-G 系列代表了一款專為數位訊號隔離設計的高速、邏輯閘輸出光耦合器（光隔離器）家族。這些元件整合了一個紅外線發光二極體，以光學方式耦合至一個具有可儲存邏輯閘輸出的高速積體光電探測器。採用緊湊的 6-Pin 小型雙列直插封裝（SDIP），其設計旨在取代脈衝變壓器，並在嘈雜的電氣環境中提供穩健的接地迴路消除功能。

其核心功能是提供輸入與輸出電路之間的電氣隔離，防止接地迴路、電壓突波和雜訊傳播。邏輯閘輸出確保了乾淨的數位訊號傳輸，使其適用於不同邏輯家族或電壓域之間的介面連接。

1.1 核心優勢與目標市場

ELS611-G 系列的主要優勢包括其高達 10MBit/s 的高速能力，可支援快速的數位通訊協定。它提供 5000Vrms 的高隔離電壓，為敏感電路提供出色的保護。這些元件符合無鹵素要求（Br <900ppm，Cl <900ppm，Br+Cl <1500ppm），為無鉛製程，並符合 RoHS 和歐盟 REACH 指令。它們獲得了包括 UL、cUL、VDE、NEMKO、FIMKO、SEMKO、DEMKO 和 CQC 在內的主要國際安全機構認證，便於在全球市場使用。

目標應用主要是在工業自動化、電源供應系統（例如，用於回授隔離的交換式電源供應器）、電腦周邊介面、資料傳輸系統、資料多工處理，以及任何需要對數位訊號進行可靠、高速電氣隔離的場景。

2. 深入技術參數分析

以下章節針對規格書中指定的關鍵電氣與性能參數，提供詳細、客觀的分析。

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。不建議在接近或持續處於這些極限的條件下操作元件。

• 輸入順向電流（I_F)）：20 mA。允許流經輸入 LED 的最大連續電流。
• 輸入逆向電壓（V_R)）：5 V。輸入 LED 可承受的最大逆向偏壓電壓。
• 輸入功率消耗（P_D)）：40 mW。輸入端可消耗的最大功率。
• 輸出電源電壓（V_CC)）：7.0 V。可施加於輸出端電源接腳的絕對最大電壓。
• 輸出電壓（V_O)）：7.0 V。可出現在輸出接腳的最大電壓。
• 輸出電流（I_O)）：50 mA。輸出接腳可吸入或源出的最大電流。
• 隔離電壓（V_ISO)）：5000 Vrms，持續 1 分鐘。這是一個關鍵的安全額定值，測試時將輸入接腳（1,2,3,4）短路在一起，輸出接腳（5,6）短路在一起。
• 操作溫度（T_OPR)）：-40°C 至 +85°C。正常操作時的環境溫度範圍。
• 焊接溫度（T_SOL)）：260°C，持續 10 秒。這定義了迴流焊接溫度曲線的耐受度。

2.2 電氣特性

這些是在指定測試條件下保證的性能參數。

2.2.1 輸入特性（LED 側）

• 順向電壓（V_F)）：典型值 1.45V，最大值 1.8V（當 I_F=10mA 時）。此參數用於設計輸入限流電路。
• 逆向電流（I_R)）：最大值 10 µA（當 V_R=5V 時）。這表示 LED 在關閉狀態下的漏電流。
• 輸入電容（C_IN)）：典型值 60pF。此參數影響輸入側的高頻切換性能。

2.2.2 輸出特性

• 電源電流，高準位（I_CCH)）：7mA 至 13mA（當 I_F=0mA（LED 關閉）且 V_CC=5.5V 時）。這是輸出處於邏輯高準位時的靜態電流。
• 電源電流，低準位（I_CCL)）：9mA 至 15mA（當 I_F=10mA（LED 開啟）且 V_CC=5.5V 時）。這是輸出主動被拉低時的操作電流。
• 低準位輸出電壓（V_OL)）：典型值 0.4V，最大值 0.6V（條件為 V_CC=5.5V，I_F=5mA，I_OL=13mA）。這定義了在低準位狀態下吸入電流時的輸出電壓。
• 輸入臨界電流（I_FT)）：最大值 5mA。這是在指定的 V_OL和 I_CC條件下，保證輸出切換至有效低邏輯準位（V_OL<= 0.6V）所需的最小輸入 LED 電流。這是決定所需驅動電流的關鍵參數。

2.3 切換特性

這些參數定義了光耦合器的時序性能，對於高速資料傳輸至關重要。測試條件為 V_CC=5V，I_F=7.5mA，C_L=15pF，R_L=350Ω（除非另有說明）。

• 傳播延遲至高準位（t_PHL)）：典型值 40ns，最大值 100ns。從輸入 LED 關閉到輸出上升至邏輯高準位的時間。
• 傳播延遲至低準位（t_PLH)）：典型值 50ns，最大值 100ns。從輸入 LED 開啟到輸出下降至邏輯低準位的時間。
• 脈衝寬度失真（|t_PHL– t_PLH|））：典型值 10ns，最大值 50ns。兩個傳播延遲之間的差值。較低的值對於保持訊號完整性和工作週期更為有利。
• 輸出上升時間（t_r)）：典型值 50ns。輸出從最終高值的 10% 上升到 90% 所需的時間。
• 輸出下降時間（t_f)）：典型值 10ns。輸出從初始高值的 90% 下降到 10% 所需的時間。
• 共模暫態耐受度（CMH, CML））：最小值 5 kV/µs。此參數衡量元件對輸入與輸出接地之間快速電壓暫態的耐受能力。CMH 適用於輸出為高準位時，CML 適用於輸出為低準位時。較高的值表示對透過隔離屏障耦合的雜訊有較強的抑制能力。

3. 性能曲線分析

規格書中引用了典型的光電特性曲線。雖然提供的文本未詳細說明具體圖表，但通常包含以下對設計至關重要的曲線：

• 電流傳輸比（CTR）與順向電流關係圖：顯示光耦合器的效率。對於邏輯閘類型，此特性已嵌入切換參數中，但可顯示其隨溫度和電流變化的性能。
• 傳播延遲與順向電流關係圖：說明切換速度如何隨 LED 驅動電流變化。較高的 I_F通常會減少傳播延遲，但會增加功率消耗。
• 傳播延遲與溫度關係圖：顯示時序參數在操作溫度範圍內的變化。
• 電源電流與溫度關係圖：指示輸出側的功耗如何隨溫度變化。

設計人員應查閱完整的規格書圖表，以了解其特定應用條件下的性能邊界和降額需求。

4. 機械與封裝資訊

4.1 接腳配置與功能

本元件採用 6-Pin SDIP 封裝。接腳定義如下：

• 接腳 1：輸入 LED 的陽極。
• 接腳 2：無連接（N.C.）。
• 接腳 3：輸入 LED 的陰極。
• 接腳 4：輸出側的地線（GND）。
• 接腳 5：輸出（V_OUT）。這是內部邏輯閘的開集極或圖騰柱輸出。
• 接腳 6：輸出側的電源電壓（V_CC）。

關鍵設計注意事項：必須在接腳 6（V_CC）和接腳 4（GND）之間連接一個具有良好高頻特性的 0.1µF（或更大）旁路電容，並盡可能靠近封裝放置。這對於穩定操作和達到指定的切換性能至關重要。

4.2 封裝尺寸與 PCB 佈局

規格書提供了 \"P\" 型（表面黏著引腳形式）封裝的詳細機械圖。關鍵尺寸包括整體封裝本體尺寸、引腳間距和離板高度。同時也提供了建議的表面黏著組裝焊墊佈局，以確保可靠的焊接和機械強度。設計人員必須遵守這些佈局指南，以防止墓碑效應或不良焊點。

5. 焊接與組裝指南

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接溫度曲線。應遵守以下預防措施：

• 遵循所用特定錫膏的建議迴流曲線，確保峰值溫度和液相線以上的時間不超過元件的額定值。
• 在處理過程中避免對封裝施加過度的機械應力。
• 遵守建議的 PCB 焊墊設計，以防止錫橋或焊錫不足。
• 儲存條件應在指定的儲存溫度範圍 -55°C 至 +125°C 內，並根據表面黏著元件的標準濕度敏感等級（MSL）要求存放於乾燥環境中（摘錄中未說明具體的 MSL）。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 型號編碼規則

料號格式如下：ELS611X(Y)-VG

• EL：製造商前綴。
• S611：基礎料號。
• X：引腳類型。\"P\" 表示表面黏著引腳形式。
• (Y)：捲帶包裝選項。\"TA\" 或 \"TB\" 指定不同的捲盤包裝樣式。
• V：可選，表示 VDE 認證。
• G：表示無鹵素結構。

範例：ELS611P(TA)-VG 是一款表面黏著元件，採用 TA 捲帶包裝，具有 VDE 認證且為無鹵素。

6.2 包裝規格

本元件提供捲帶包裝，便於自動化組裝。TA 和 TB 選項每捲均包含 1000 個元件。規格書包含指定捲帶尺寸、料袋間距和捲盤尺寸的圖表。

6.3 元件標記

封裝上標有指示製造來源、元件編號和日期代碼的標記。格式包括：工廠代碼（\"T\" 代表台灣）、製造商 \"EL\"、元件 \"S611\"、1 位數年份代碼、2 位數週數代碼，以及可選的 VDE 標記 \"V\"。

7. 應用建議與設計考量

7.1 典型應用電路

主要應用是數位訊號隔離。典型電路包括：

1. 輸入側：一個與 LED（接腳 1 和 3）串聯的限流電阻，用於設定順向電流 I_F。其阻值根據驅動電壓和所需的 I_F（通常在臨界電流 I_FT和最大額定值之間）計算。對於高速操作，建議使用快速驅動器。
2. 輸出側： V_CC（接腳 6）連接到所需的邏輯電源電壓（最高 7V）。接腳 4（GND）連接到輸出地線。輸出接腳 5 連接到接收端的邏輯輸入。根據內部輸出結構（規格書示意圖顯示了主動下拉，暗示為圖騰柱輸出，但設計時應驗證是否需要上拉電阻），可能需要一個外部連接到 V_CC的上拉電阻。在 V_CC和 GND 之間連接關鍵的 0.1µF 旁路電容是強制性的。

7.2 設計考量

• 速度 vs. 電流：較高的 I_F可改善傳播延遲，但會增加功率消耗並可能降低長期可靠性。應根據所需速度和熱限制來優化 I_F。
• 抗雜訊能力：高共模暫態耐受度（5kV/µs）使其適用於馬達驅動器和電源供應器等嘈雜環境。確保正確的 PCB 佈局，以最小化隔離屏障周圍的寄生耦合。
• 負載考量：遵守最大輸出電流（I_O）和電壓（V_O）額定值。輸出設計用於驅動標準邏輯輸入（TTL、CMOS），而非重負載。
• 電源旁路：忽略建議的旁路電容可能導致振盪、誤觸發和切換性能下降。

8. 技術比較與差異化

與標準電晶體輸出光耦合器相比，ELS611-G 的整合邏輯閘提供了幾個關鍵優勢：

• 更高速度：10MBit/s 的資料傳輸率和低於 100ns 的傳播延遲，顯著快於典型的電晶體耦合器（通常在 µs 範圍）。
• 乾淨的數位輸出：邏輯閘輸出提供陡峭的邊緣和明確的邏輯準位，無需外部施密特觸發器，簡化了電路設計。
• 較低的脈衝失真：指定的脈衝寬度失真較低，這對於保持時鐘和資料線的訊號完整性至關重要。
• 整合功能：將光電探測器、放大器和邏輯閘整合在單一晶片中，減少了外部元件數量。

9. 常見問題（基於技術參數）

1. 問：保證輸出切換為低準位所需的最小輸入電流是多少？
   
   答：參數 I_FT（輸入臨界電流）在測試條件下（V_CC=5.5V，V_O=0.6V，I_OL=13mA）的最大值為 5mA。為了確保在所有條件下都能可靠切換，設計應使用大於此值的 I_F，通常在切換特性中指示為 7.5mA 至 10mA。
2. 問：我可以在輸出側使用 3.3V 邏輯電源嗎？
   
   答：可以，只要 V_CC不低於內部邏輯閘運作所需的最低電壓（未明確說明，但 CMOS 通常約為 ~2.7V 至 3V），元件即可工作。輸出邏輯準位將相對於此 V_CC。最大 V_CC為 7.0V。
3. 問：0.1µF 旁路電容有多關鍵？
   
   答：對於穩定、高速的操作絕對至關重要。它為輸出級的切換電流提供了本地電荷儲備，防止電源軌電壓下降和可能導致故障的振盪。
4. 問：\"可儲存輸出\"是什麼意思？
   
   答：它可能指的是可以保持輸出狀態的鎖存器或正反器功能。然而，PDF 中的真值表顯示了簡單的反相器功能（輸入 H -> 輸出 L，輸入 L -> 輸出 H）。該術語可能表示輸出可以在短暫中斷期間保持其狀態，或具有良好的抗雜訊能力。應查閱示意圖以獲得澄清。

10. 實際應用範例

場景：在工業控制器中隔離 UART 訊號。

一個工業微控制器透過 UART 以 115200 鮑率與一個周邊設備通訊。該周邊設備在具有不同接地電位的獨立電源上運作，存在接地迴路的風險。

實作方式：

使用兩個 ELS611-G 元件，一個用於 TX 線路（控制器到周邊設備），一個用於 RX 線路（周邊設備到控制器）。在 TX 隔離器上，微控制器的 TX 接腳透過一個設定為 I_F=10mA 的限流電阻驅動 LED。隔離器的輸出接腳連接到周邊設備的 RX 輸入。隔離器的 V_CC由周邊設備的 5V 或 3.3V 電源軌供電，並配有強制性的旁路電容。RX 線路的設置與此對稱。此設置斷開了接地連接，防止雜訊耦合，並保護微控制器免受周邊設備側電壓暫態的影響，同時保持高速串列資料的完整性。

11. 工作原理

光耦合器基於光學耦合的原理運作以實現電氣隔離。在 ELS611-G 中：

1. 施加到輸入側的電氣訊號使紅外線發光二極體（LED）發出與電流成比例的光。
2. 此光線穿過封裝內部的透明隔離屏障（通常是模塑化合物）。
3. 在輸出側，一個矽光電二極體或光電晶體檢測光線並將其轉換回電氣電流。
4. 這個小的光電流被一個包含邏輯閘（在本例中，可能是一個反相器或緩衝器）的高速積體電路放大和處理。該 IC 提供一個乾淨的數位輸出訊號，複製輸入狀態，但與之電氣隔離。
5. 隔離屏障提供高介電強度（5000Vrms），防止兩側之間的電流流動和電壓差。

12. 技術趨勢

像 ELS611-G 這樣的光耦合器的發展，受到電子領域幾個關鍵趨勢的推動：

• 更高的資料傳輸率：工業通訊（Profibus、EtherCAT）、汽車網路和再生能源系統對更高速隔離的需求，推動了具有更低傳播延遲和更高共模耐受度的元件發展。
• 小型化：持續朝向更小封裝（例如 SOIC-4、LSSOP）且具有相同或更好隔離等級的趨勢，以節省 PCB 空間。
• 增強整合度：未來的元件可能會整合更多功能，例如將電源隔離（隔離式 DC-DC 轉換器）與資料隔離整合在單一封裝中，或是多通道隔離器。
• 材料與製程創新：LED 效率、探測器靈敏度和模塑化合物純度的發展，有助於降低功耗、提高速度和改善長期可靠性。
• 替代隔離技術：雖然光耦合器技術成熟，但電容隔離（使用 SiO2 屏障）和磁隔離（GMR）等技術在一些高速、高密度應用中與之競爭。每種技術在速度、耐受度、功耗和成本方面都有其權衡取捨。