8腳SOP高速1Mbit/s電晶體光耦合器EL045X EL050X系列規格書 - SO-8封裝 - 電壓5V/15V/30V - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

EL045X與EL050X系列是專為嚴苛電子電路中的訊號隔離所設計的高速、電晶體輸出光耦合器（光隔離器）。每個元件均整合了一個紅外線發光二極體（LED），並以光學方式耦合至一個高速光電偵測電晶體。其關鍵架構特點在於為光二極體偏壓與輸出電晶體的集極提供了獨立的連接腳位。相較於傳統的光電晶體耦合器，此設計透過降低輸入電晶體的基極-集極電容，顯著提升了開關速度。元件採用緊湊的8腳小型外觀封裝（SOP），符合標準SO-8封裝尺寸，非常適合空間受限的應用。

本系列的核心優勢在於其結合了高速資料傳輸能力（最高可達1 Mbit/s）與穩健的電氣隔離。它們提供高共模暫態耐受度（CMTI），特別是EL0453型號保證最低可達15 kV/µs，使其成為馬達驅動器與交換式電源供應器等嘈雜環境的理想選擇。本系列特點包括寬廣的工作溫度範圍、符合國際安全與環保標準（UL、cUL、VDE、RoHS、無鹵素、REACH），並提供不同的電流傳輸比（CTR）等級，以滿足各種應用需求。

2. 技術參數深度解析

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。不建議持續在或接近這些極限下操作元件。

• 輸入端（LED側）：最大連續順向電流（I_F）為25 mA。在脈衝條件下（50%工作週期，1ms脈衝寬度），可承受50 mA的峰值順向電流（I_FP）。對於極短的脈衝（≤ 1µs，300 pps），允許非常高的峰值暫態電流（I_Ftrans）達1A。最大逆向電壓（V_R）為5V。
• 輸出端（偵測器側）：平均輸出電流（I_O(AVG)）不應超過8 mA，峰值輸出電流（I_O(PK)）限制為16 mA。輸出電壓（V_O）範圍為-0.5V至+20V，電源電壓（V_CC）範圍為-0.5V至+30V。
• 隔離與熱特性：元件提供高隔離電壓（V_ISO）達3750 V_rms（測試1分鐘）。工作溫度範圍（T_OPR）異常寬廣，從-55°C至+100°C。最高焊接溫度為260°C，持續10秒。

2.2 電氣與傳輸特性

除非另有說明，這些參數保證在0°C至70°C的工作溫度範圍內有效。

• 輸入特性：LED的典型順向電壓（V_F）在順向電流（I_F）為16 mA時為1.45V，最大值為1.8V。順向電壓具有約-1.9 mV/°C的負溫度係數。
• 輸出特性：關鍵參數包括邏輯高準位輸出電流（I_OH），其值非常低（漏電流等級，在V_CC=5.5V時典型值為0.001 µA），以及邏輯低準位（I_CCL，約140 µA）與邏輯高準位（I_CCH，約0.01 µA）狀態下的電源電流。
• 電流傳輸比（CTR）：這是定義光耦合器效率的關鍵參數。本系列提供不同的CTR等級：
  • EL0500：CTR最小值7%，最大值50%（典型測試條件：I_F=16mA，V_O=0.4V）。
  • EL0501 / EL0452 / EL0453：CTR最小值19%，最大值50%（典型測試條件：I_F=16mA，V_O=0.4V）。
  同時也規定了在特定條件下（例如，EL0500在V_O=0.5V時為5%，其他型號為15%）較低的保證CTR，以確保在非理想條件下仍能正常運作。
• 邏輯低準位輸出電壓（V_OL）：當元件處於導通狀態時，輸出的最大電壓。典型值為0.18V，並保證低於0.4V或0.5V，具體取決於負載電流（I_O）。

2.3 開關特性

在標準條件下（I_F=16mA，V_CC=5V，T_A=0至70°C）測量，這些參數定義了元件的速度。

• 傳播延遲：
  • EL0500：傳播延遲時間至邏輯低準位（t_PHL）與至邏輯高準位（t_PLH）最大值為2.0 µs，使用4.1 kΩ負載電阻（R_L）。
  • EL0501 / EL0452 / EL0453：開關速度更快，t_PHL與t_PLH最大值為1.0 µs，使用1.9 kΩ負載電阻。
• 共模暫態耐受度（CMTI）：此參數量測元件抑制其輸入與輸出接地之間快速電壓暫態的能力。對於隔離系統的抗雜訊能力而言，這是一個至關重要的參數。
  • EL0453：提供卓越性能，其最低CMTI在共模電壓（V_CM）為1500V峰對峰值時達15,000 V/µs。
  • EL0500 / EL0501 / EL0452：其典型CMTI在V_CM=10V p-p時為1,000 V/µs。
  CMTI分別針對輸出保持在邏輯高準位（CM_H）與邏輯低準位（CM_L）狀態進行規定。

3. 性能曲線分析

規格書中引用了典型的光電特性曲線。雖然文本中未提供具體圖表，但此類元件的標準曲線通常包括：

• 電流傳輸比（CTR）對順向電流（I_F）：顯示效率如何隨LED驅動電流變化，通常在特定I_F.
• 值達到峰值。 CTR對環境溫度（T_A）：說明耦合效率的溫度依賴性，通常隨溫度升高而降低。
• 傳播延遲對負載電阻（R_L）：展示開關速度如何受輸出負載影響。
• 順向電壓（V_F）對順向電流（I_F）：輸入LED的標準I-V曲線。
• 輸出飽和電壓對輸出電流：顯示當光電晶體飽和時，集極-射極電壓與電流之間的關係。

這些曲線對於設計人員優化電路性能、選擇適當的工作點以及理解元件在非標準條件下的行為至關重要。

4. 機械與封裝資訊

4.1 腳位配置與功能

元件採用8腳SOP封裝。有兩種主要的腳位配置，對應不同的零件編號：

• 適用於EL0500 / EL0501：
  1. 空腳
  2. 陽極（LED +）
  3. 陰極（LED -）4. 空腳5. 接地（GND）6. 輸出（V_OUT)7. 偏壓電壓（V_B） - 此腳位是提升速度的關鍵。8. 電源電壓（V_CC)
• 適用於EL0452 / EL0453：
  1. 空腳
  2. 陽極（LED +）
  3. 陰極（LED -）4. 空腳5. 接地（GND）6. 輸出（V_OUT)7. 空腳8. 電源電壓（V_CC)

EL0500/01中的V_B腳位（第7腳）允許對光二極體進行外部偏壓，這是實現更高速度的機制。EL0452/43型號可能在內部配置了此偏壓網路。

5. 應用指南

5.1 典型應用電路

規格書包含用於量測開關時間與共模暫態耐受度的參考測試電路（圖8與圖9）。這些電路可作為實作指南：

• 開關時間測試電路：通常涉及透過限流電阻以脈衝產生器驅動輸入LED。輸出透過上拉電阻（R_CC= 4.1kΩ或1.9kΩ，依規格）連接至V_L，並以示波器監測。傳播延遲是在輸入與輸出波形50%點之間量測。
• 暫態耐受度測試電路：涉及在短路的輸入腳位（1-4）與短路的輸出腳位（5-8）之間施加高壓、快速上升的共模脈衝（V_CM）。監測輸出狀態以確保其不會因暫態而誤觸發。

5.2 設計考量

• LED限流：必須使用外部電阻與輸入LED串聯，以設定順向電流（I_F）。其數值根據電源電壓、LED的順向電壓（V_F）以及所需的I_F（通常為16 mA以獲得最佳速度/CTR）計算。
• 輸出負載電阻（R_L）：上拉電阻的選擇會影響開關速度、功耗與邏輯準位。較小的R_L可提供更快的上升時間，但當輸出為低準位時會增加功耗。規格書規定了測試條件：EL0500使用R_L=4.1kΩ，其他型號使用1.9kΩ。
• 抗雜訊能力：對於在電氣嘈雜環境（馬達驅動器、工業控制）中的應用，選擇EL0453型號以利用其高保證CMTI至關重要。適當的PCB佈局，包括短走線以及在元件腳位附近放置去耦電容，也同樣重要。
• CTR衰減：與所有光耦合器一樣，這些元件的CTR會隨著時間逐漸降低，特別是在高溫與高LED電流下操作時。設計應包含足夠的餘裕，以確保電路在產品預期壽命內的功能正常。

6. 技術比較與選型指南

EL045X/EL050X系列提供一系列針對不同需求量身打造的選項：

• EL0500 對比 EL0501 / EL0452 / EL0453：主要差異在於電流傳輸比（CTR）。EL0500具有較低的最小CTR（7% 對比 19%），使其適合輸入驅動電流可以較高的應用。其他型號則提供更高的靈敏度。
• EL0453 對比 其他型號：EL0453因其保證最低共模暫態耐受度達15 kV/µs而脫穎而出。這使其成為高雜訊隔離應用（如交換式電源供應器回授迴路或馬達驅動逆變器閘極驅動，這些地方電壓尖峰很常見）的首選。其他型號則規定典型CMTI為1000 V/µs。
• 腳位配置：EL0500/01具有有效的V_B腳位（第7腳），而EL0452/43則將其設為空腳。這反映了為速度優化而做的內部架構差異。

選型總結：需要最高抗雜訊能力時選擇EL0453。需要更高靈敏度與標準速度時選擇EL0501/EL0452。在成本敏感、較低CTR可接受且驅動電流無限制的應用中選擇EL0500。

7. 封裝與訂購資訊

元件提供不同的封裝選項以滿足生產需求。

• 標準包裝：每管100個。
• 捲帶包裝選項：提供TA或TB捲帶類型，每捲2000個。此包裝適合自動化表面黏著組裝。
• VDE認證選項：零件可訂購帶有VDE認證的版本（以"-V"後綴表示）。
• 零件編號規則：零件編號遵循格式：EL050X(Z)-V 或 EL045X(Z)-V，其中：
  • X = 裝置編號（EL050x為0,1；EL045x為2,3）。
  • Z = 捲帶包裝選項（TA、TB，或空白表示管裝）。
  • -V = 可選的VDE認證。
  範例：EL0453(TA)-V 表示一個帶有VDE認證、採用TA捲帶包裝的EL0453元件。

8. 工作原理

此元件基於光學耦合以實現電氣隔離的原理運作。施加於輸入端的電氣訊號使紅外線LED發出與電流成比例的光。此光線穿過絕緣間隙（通常是透明介電質）並照射到輸出端的光電偵測器。在本系列中，偵測器是一個連接到高速電晶體基極的光敏二極體。獨立的偏壓腳位（在某些型號中為V_B）允許對光二極體進行預偏壓，從而最小化其接面電容。當光線照射到光二極體時，它會產生電流直接驅動電晶體的基極，使其導通。此設計避免了標準光電晶體基極-集極接面所產生的大米勒電容，從而實現了更快的開關速度——最高可達1 Mbit/s。光學路徑提供了電流隔離，阻斷高電壓（最高達3750 V_rms）並抑制輸入與輸出電路之間的共模雜訊。

9. 應用場景

• 交換式電源供應器（SMPS）回授迴路：從次級側提供隔離的電壓回授至初級側控制器，既需要速度以維持迴路穩定，也需要高CMTI以承受開關雜訊。
• 馬達驅動逆變器隔離：隔離變頻驅動器中IGBT或MOSFET的閘極驅動訊號。EL0453的高CMTI在此至關重要，可防止因高dv/dt暫態而誤觸發。
• 工業通訊介面：作為隔離式RS-485、CAN或Profibus網路的線路接收器，保護敏感的邏輯電路免受接地迴路與突波的影響。
• 電信設備：在線路卡或介面模組中提供訊號隔離。
• 低速光電晶體耦合器的替代品：升級現有設計以實現更高的資料傳輸率，而無需更改電路板尺寸（相容SO-8）。
• 家電控制：將使用者介面微控制器與電源開關部分隔離（例如，在洗衣機、空調中）。

10. 常見問題 (FAQ)

Q1: EL0500與EL0501的主要區別是什麼？

A1: 主要區別在於保證的最小電流傳輸比（CTR）。EL0500的最小CTR（在特定條件下為7%）低於EL0501（19%）。這意味著EL0501更靈敏，可以用稍低的輸入LED電流達到相同的輸出，但在設計用於較高驅動電流的電路中，EL0500可能已足夠且更具成本效益。

Q2: 我應該在何時特別選擇EL0453型號？

A2: 當您的應用在隔離接地之間存在極高電氣雜訊與快速電壓暫態的環境中運作時，應選擇EL0453。其保證最低15 kV/µs的共模暫態耐受度，使其在馬達驅動器、高功率交換式電源供應器或工業控制系統中可靠運作至關重要，其他型號在這些環境中可能會發生誤開關。

Q3: 如何選擇LED限流電阻（R_series）的數值？

A3: 使用歐姆定律：R_series= (V_supply- V_F) / I_F。V_F是LED順向電壓（設計時使用最大值1.8V以保留餘裕）。I_F是您期望的工作電流（16 mA是獲得最佳性能的常見測試條件）。對於5V電源：R_series≈ (5V - 1.8V) / 0.016A ≈ 200 Ω。請務必檢查電阻的功耗。

Q4: 我可以將這些光耦合器用於類比訊號隔離嗎？

A4: 雖然可能，但它們主要設計用於數位（開/關）訊號隔離，因為它們是電晶體輸出且具有非線性CTR特性。對於線性類比隔離，專用的線性光耦合器或隔離放大器會是更合適的選擇。

Q5: EL0500/01上的V_B腳位用途是什麼？

A5: V_B腳位用於對內部光二極體施加偏壓電壓。適當偏壓光二極體可降低其接面電容，這是主要的限速因素。與簡單的光電晶體耦合器相比，此外部偏壓網路正是這些元件實現高速性能（1 Mbit/s）的原因。