8-Pin DIP 寬體封裝高速 1Mbit/s 電晶體光耦合器 ELW135 ELW136 ELW4503 規格書 - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ELW135、ELW136 與 ELW4503 係專為需要快速訊號隔離之應用所設計的高速電晶體輸出光耦合器（光隔離器）。每顆元件皆整合了一個紅外線發光二極體，以光學方式耦合至一個高速光電晶體。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連接點。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，其效能相較於傳統光電晶體耦合器高出數個數量級。元件封裝於 8-pin 雙列直插式封裝（DIP）寬體中，提供通孔（寬引腳間距）與表面黏著元件（SMD）兩種選項。

1.1 核心優勢與目標市場

此產品系列的主要優勢在於其結合了高速（1 Mbit/s 資料傳輸率）與強健的隔離能力（5000 V_rms）。這使得它們適合於現代數位系統中取代速度較慢的光電晶體耦合器。其設計可在 -55°C 至 +100°C 的寬廣溫度範圍內可靠運作，並保證在 0°C 至 70°C 範圍內的效能。主要目標應用包括通訊介面中的線路接收器、馬達驅動電路中功率電晶體的隔離、交換式電源供應器（SMPS）的回授迴路、高速邏輯接地隔離、電信設備以及各種家電產品。本元件符合無鉛與 RoHS 指令，並獲得包括 UL、cUL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO 及 FIMKO 在內的主要國際安全機構認證。

2. 技術參數深度解析

本節客觀分析規格書中列出的電氣與效能參數。

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。

• 輸入端（LED）：連續順向電流（I_F）額定值為 25 mA。對於脈衝操作，在 50% 工作週期與 1ms 脈衝寬度下，允許峰值順向電流（I_FP）為 50 mA。對於極短脈衝（≤1μs）與低重複率（300 pps），允許極高的峰值暫態電流（I_Ftrans）為 1A，這對於突波耐受測試很有用。LED 兩端的最大逆向電壓（V_R）為 5V。
• 輸出端（光電晶體）：對於 ELW135/136，射極-基極逆向電壓（V_EBR）為 5V，而基極電流（I_B）限制為 5 mA——若基極腳位在外部使用時需注意此限制。平均輸出電流（I_O(AVG)）為 8 mA，峰值（I_O(PK)）為 16 mA。輸出電壓（V_O）相對於輸出接地可在 -0.5V 至 +20V 之間擺動。
• 系統：輸出側的電源電壓（V_CC）範圍可從 -0.5V 至 +30V。隔離電壓（V_ISO）為 5000 V_rms，於輸入側與輸出側之間（腳位 1-4 短路對腳位 5-8 短路）施加一分鐘。元件可在 260°C 下進行焊接，時間最長 10 秒。

2.2 電氣與傳輸特性

除非另有說明，這些參數保證在工作溫度範圍（0°C 至 70°C）內有效，典型值則於 25°C 下給出。

• 輸入 LED：順向電壓（V_F）在 I_F=16mA 時典型值為 1.45V，最大值為 1.8V。其具有約 -1.9 mV/°C 的負溫度係數。
• 輸出暗電流：邏輯高準位輸出電流（I_OH），實質上是光電晶體的漏電流或暗電流，非常低（在 V_CC=15V、25°C 時最大值為 1 µA），確保了良好的關斷狀態隔離。
• 電源電流：當 LED 導通時（I_CCL=16mA），邏輯低準位電源電流（I_F）典型值為 110 µA；而當 LED 關斷時，邏輯高準位電源電流（I_CCH）典型值為 0.01 µA。
• 電流傳輸比（CTR）：這是定義光耦合器效率的關鍵參數。ELW135 的 CTR 範圍為 7% 至 50%（最小值至最大值），而 ELW136 和 ELW4503 的範圍為 19% 至 50%。測試條件為 I_F=16mA、V_O=0.4V、V_CC=4.5V，溫度 25°C。規格書亦針對稍有不同的條件（V_O=0.5V）下，指定了 ELW135 的最小 CTR 值為 5%，ELW136/ELW4503 為 15%，這對於設計餘裕至關重要。
• 邏輯低準位輸出電壓（V_OL）：此參數指定了輸出電晶體的飽和電壓。對於 ELW135，在 I_O=1.1mA 時，V_OL典型值為 0.18V（最大值 0.4V）。對於 ELW136/ELW4503，在 I_O=3mA 時，V_OL典型值為 0.25V（最大值 0.4V）。這些低電壓值對於在數位邏輯介面中實現良好的雜訊邊際至關重要。

2.3 開關特性

開關效能是在 I_F=16mA 與 V_CC=5V 的條件下量測。負載電阻（R_L）的值因型號而異，以匹配其 CTR 與輸出驅動能力。

• 傳播延遲：
  • ELW135：傳播延遲至邏輯低準位（t_PHL）的典型值為 0.36 µs（最大值 2.0 µs），使用 R_L=4.1 kΩ。傳播延遲至邏輯高準位（t_PLH）的典型值為 0.45 µs（最大值 2.0 µs）。
  • ELW136 / ELW4503：這些速度更快的型號，其 t_PHL典型值為 0.32 µs（最大值 1.0 µs），t_PLH典型值為 0.25 µs（最大值 1.0 µs），使用 R_L=1.9 kΩ。
• 共模暫態耐受度（CMTI）：此參數量測元件抑制輸入與輸出接地之間快速電壓暫態的能力。其單位為 V/µs。
  • ELW135/136：兩者在高低輸出狀態下，最小 CMTI 均為 1000 V/µs，測試使用 10V_p-p的共模脈衝。
  • ELW4503：此型號提供卓越的抗雜訊能力，最小 CMTI 為 15,000 V/µs，測試使用更大的 1500V_p-p脈衝。這使其特別適合馬達驅動等高雜訊環境。

3. 腳位配置與功能差異

8-pin DIP 封裝具有標準化的腳位配置，但不同元件類型之間有一個關鍵差異。

• 腳位 1 與 4：所有型號均為空腳（NC）。
• 腳位 2 與 3：分別為輸入 LED 的陽極與陰極。
• 腳位 5：輸出側的接地（GND）。
• 腳位 6：輸出電壓（V_OUT），即光電晶體的集極。
• 腳位 7：此腳位有所不同。對於ELW135 與 ELW136，它是光二極體偏壓電壓（V_B）。連接此腳位對於實現高速運作至關重要。對於ELW4503，腳位 7 為空腳（NC）。ELW4503 的高速偏壓功能可能已在內部處理。
• 腳位 8：輸出側的電源電壓（V_CC）。

示意圖顯示了內部連接：光二極體（驅動電晶體的基極）連接在腳位 7（V_B）與腳位 6（V_OUT/集極）之間。光電晶體的射極則連接至腳位 5（GND）。

4. 應用建議

4.1 典型應用電路

這些光耦合器是數位訊號隔離的理想選擇。典型電路是將輸入 LED 與一個限流電阻串聯，連接到微控制器或邏輯閘輸出。在輸出側，一個上拉電阻（R_L）連接在 V_CC（腳位 8）與 V_OUT（腳位 6）之間。R_L的值必須根據所需的開關速度、輸出電流以及元件的 CTR 來選擇，如規格書表格中所指定（例如，開關測試中 ELW135 使用 4.1 kΩ，ELW136/4503 使用 1.9 kΩ）。對於 ELW135/136，腳位 7（V_B）必須連接，通常透過一個電阻或直接連接到 V_CC，具體取決於對速度與靈敏度的偏壓需求。

4.2 設計考量與注意事項

• 速度與 CTR 的權衡：獨立的基極連接點（腳位 7）允許透過調整光二極體偏壓，以犧牲部分 CTR 來換取更高的速度。規格書中的開關規格是在特定條件下給出的。
• 型號選擇：對於通用、成本敏感的 1Mbit/s 應用，請選擇 ELW135。ELW136 提供更高的最小 CTR，為需要更大輸出電流驅動的設計提供更好的餘裕。ELW4503 因其卓越的 15,000+ V/µs CMTI，是極高電氣雜訊環境（例如工業馬達控制、電源逆變器）中的高階選擇。
• 功率消耗：考慮環境溫度，確保輸入功率（I_F* V_F）不超過 45 mW，且輸出功率不超過 100 mW。
• 隔離佈局：為維持高隔離額定值，必須確保 PCB 上輸入側走線（腳位 1-4）與輸出側走線（腳位 5-8）之間有足夠的沿面距離與間隙距離。通常建議在元件下方的 PCB 上開槽或設置隔離屏障。

5. 封裝與訂購資訊

元件提供不同的封裝選項，由料號中的後綴表示。

料號格式：ELW13XY(Z)-V或 ELW4503Y(Z)-V

• X= 料號識別碼（5 代表 ELW135，6 代表 ELW136）。
• Y= 引腳形式選項：'S' 代表表面黏著引腳形式，空白代表標準 DIP。
• Z= 捲帶包裝選項：'TA' 或 'TB'，空白代表管裝。
• V= 可選的 VDE 認證標記。

包裝數量：標準 DIP-8 封裝以管裝供應，每管 40 顆。帶捲帶的表面黏著選項（'S(TA)'）以捲盤供應，每捲 500 顆。

6. 技術比較與常見問題

6.1 型號間差異

主要區別在於電流傳輸比（CTR）與共模暫態耐受度（CMTI）。ELW135 具有最低的保證 CTR（7-50%），ELW136 具有更高的最小 CTR（19-50%），而 ELW4503 的 CTR 與 ELW136 相同，但增加了遠優越的 CMTI 額定值（>15 kV/µs 對比 1 kV/µs）。ELW4503 的腳位 7 為 NC，相較於需要連接腳位 7 的 ELW135/136，簡化了外部電路。

6.2 基於參數的常見問題

• 問：可達到的最大資料傳輸率是多少？答：根據傳播延遲規格，這些元件適用於 1 Mbit/s 的運作。實際最大速率取決於具體的電路設計，包括 R_L與輸入驅動條件。
• 問：我可以使用 3.3V 的 V_CC?答：電氣特性是在 V_CC=4.5V 和 5V 下測試的。雖然絕對最大額定值允許低至 -0.5V，但在 3.3V 下運作可能是可行的，但效能（如 V_OL與開關時間）應在實際較低的 V_CC條件下進行驗證，因為提供的規格書中並未完全描述此條件。
• 問：為什麼腳位 7（V_B）對 ELW135/136 很重要？答：連接腳位 7 提供了一個低阻抗路徑，可快速清除光二極體/基極接面的電荷，大幅降低米勒電容效應，從而實現高速開關。若不連接，其效能將類似於速度較慢的傳統光電晶體耦合器。
• 問：如何在設計中確保 5000V_rms的隔離？答：元件本身具有此額定值。系統設計者必須確保 PCB 佈局在所有輸入與輸出電路之間（包括元件本體下方）保持足夠的沿面距離/間隙距離（例如，根據安全標準，在此電壓等級下，加強絕緣需 >8mm）。

7. 工作原理

基本原理是光電隔離。施加到輸入 LED 的電訊號使其發出紅外光。此光線穿過封裝內光學透明但電氣絕緣的屏障（通常是模塑化合物或氣隙）。光線被輸出側的光二極體偵測，產生光電流。在這些高速元件中，此光電流直接調變一個整合雙極性電晶體的基極。實現高速的關鍵在於可獨立存取光二極體（ELW135/136 的腳位 7），這使得光二極體電容能夠快速充放電，最小化電晶體中的儲存時間，從而減少傳播延遲與上升/下降時間。