ELQ3H4 光耦合器規格書 - 16腳SSOP封裝 - 交流輸入 - 電流傳輸比20-300% - 隔離耐壓3750Vrms - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ELQ3H4系列代表了一款專為需要可靠訊號隔離之高密度應用所設計的光耦合隔離器家族。其核心元件由一個砷化鎵（GaAs）發光二極體（LED）與一個矽NPN光電晶體光學耦合而成，全部封裝在一個緊湊的16腳縮小型小外形封裝（SSOP）內。此封裝的一個關鍵特點是其整合式遮光罩，能有效降低環境光對光電晶體性能的影響，從而提升在電氣雜訊環境中的訊號完整性。

此元件設計為可直接接受交流輸入訊號，在許多應用中省去了外部整流電路的需求。其主要價值在於將極小的外形尺寸（2.0mm高度）與強健的隔離性能（3750 V_rms）以及符合主要國際安全與環境標準相結合。

1.1 核心優勢與目標市場

ELQ3H4光耦合器提供數項顯著優勢。其無鹵素結構以及符合RoHS與無鉛指令，使其適用於注重環保的設計。該元件獲得了包括UL、VDE、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO和CQC在內的主要安全機構認證，便於其用於法規要求嚴格的全球市場產品。

主要目標應用在於工業自動化與量測領域，其中抗雜訊能力與安全性至關重要。包括：

• 可程式邏輯控制器（PLC）：用於隔離數位I/O訊號、通訊匯流排或類比感測器輸入與中央處理單元。
• 量測儀器：在資料擷取系統、三用電表或示波器中提供隔離，以保護敏感電路免受高壓測試點的影響。
• 混合積體電路與電源供應器：在隔離式交換式電源供應器中作為回授元件，或在客製化混合模組中用於閘極驅動或訊號調節。

2. 深入技術參數分析

透徹理解電氣與光學參數對於可靠的電路設計至關重要。以下章節將詳細分析關鍵規格。

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。不應在此條件下操作。ELQ3H4的關鍵極限包括：

• 輸入（LED側）：連續順向電流（I_F）為±60mA，1μs脈衝電流（I_FP）為1A。每通道功耗為70mW，降額率為0.7mW/°C。
• 輸出（光電晶體側）：集極電流（I_C）為50mA。集極-射極電壓（V_CEO）為80V，而射極-集極電壓（V_ECO）較低，為7V，顯示了光電晶體崩潰特性的不對稱性。每通道輸出功耗為150mW，降額率為1.4mW/°C。
• 隔離與環境：該元件可承受一分鐘的隔離電壓（V_ISO）為3750 V_rms。工作溫度範圍為-55°C至+110°C。

2.2 電氣與光學特性

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=25°C）。

輸入特性：GaAs LED的順向電壓（V_F）在I_F= 20mA時，典型值為1.2V，最大值為1.4V。輸入電容（C_in）最高可達250pF，這可能影響高頻切換性能。

輸出特性：在LED關閉、V_CEO=20V時，集極-射極暗電流（I_CE）最大值為100nA，代表光電晶體的漏電流。崩潰電壓（BV_CEO=80V，BV_ECO=7V）確認了不對稱結構。

傳輸特性（T_A= -40至85°C）：這是光耦合器性能的核心。

• 電流傳輸比（CTR）：定義為在特定條件下（I_C/ I_F）* 100%。ELQ3H4在I_F= 1mA、V_CE= 5V時，具有非常寬廣的CTR範圍，從20%到300%。如此寬廣的範圍意味著在精密應用中需要仔細設計電路或進行分選。
• CTR比值（CTR1/CTR2）：此參數範圍為0.5至2.0，表示多通道元件中通道間的匹配度，或交流操作下CTR的一致性。比值為1.0代表完美匹配。
• 飽和電壓： V_CE(sat)在I_F=20mA、I_C=1mA時，典型值為0.1V（最大0.2V），表示驅動至飽和時具有良好的切換特性。
• 隔離參數：隔離電阻（R_IO）最小值為5 x 10¹⁰Ω，隔離電容（C_IO）典型值為0.3pF（最大1.0pF）。低電容對於抑制高頻共模雜訊至關重要。
• 切換速度：上升時間（t_r）與下降時間（t_f）在測試條件V_CE=2V、I_C=2mA、R_L=100Ω下，各自最大值為18μs。這表示該元件適用於中低頻數位訊號傳輸，而非高速資料傳輸。

3. 性能曲線分析

規格書中參考了典型的光電特性曲線。雖然提供的文字未重現具體圖表，但這些圖表通常說明了對設計至關重要的以下關係：

• CTR vs. 順向電流（I_F）：顯示傳輸效率如何隨LED驅動電流變化。在非常高的I_F下，CTR常因LED效率下降而降低。
• CTR vs. 溫度：說明耦合效率的溫度依賴性，通常隨溫度升高而降低。
• 順向電壓（V_F） vs. 溫度：顯示LED順向電壓的負溫度係數。
• 集極電流（I_C） vs. 集極-射極電壓（V_CE）：光電晶體在不同輸入電流下的輸出特性，類似於雙極性電晶體的曲線。
• 切換時間 vs. 負載電阻（R_L）：展示上升與下降時間如何受輸出負載影響。較大的R_L通常會因RC時間常數增加而增加上升時間。

設計者應查閱完整的圖形資料，以針對其對速度、功耗和溫度穩定性的特定要求來優化工作點。

4. 機械與封裝資訊

4.1 封裝尺寸與佈局

ELQ3H4採用16腳SSOP封裝，高度僅2.0mm，可實現高密度PCB安裝。規格書包含詳細的尺寸圖，標明了封裝的長、寬、高、腳距和引腳尺寸。遵守這些機械規格對於在PCB上正確安裝以及進入自動化組裝設備至關重要。

A 建議的焊墊佈局適用於表面黏著組裝。遵循此焊墊圖案對於確保可靠的焊點形成、適當的機械強度以及避免迴焊時發生墓碑效應等問題至關重要。該圖案考慮了焊錫圓角形成和散熱設計。

4.2 元件標記與極性

元件標記位於封裝頂部。標記格式如下：EL Q3H4 YWW V.

• EL：製造商識別碼。
• Q3H4：元件型號。
• 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。

正確的方向至關重要。封裝上的第一腳指示標記（通常是圓點、凹口或斜邊）必須與PCB封裝圖上的第一腳標記對齊。錯誤插入將導致元件無法工作，並可能造成損壞。

5. 焊接與組裝指南

5.1 迴焊條件

該元件適用於表面黏著迴焊。規格書指定了符合IPC/JEDEC J-STD-020D的關鍵最高本體溫度曲線。關鍵參數包括：

• 預熱：在60-120秒內從150°C升至200°C。
• 液相線以上時間（T_L=217°C）：60-100秒。
• 峰值溫度（T_P）：最高260°C。
• 峰值溫度±5°C內時間：最長30秒。
• 最大迴焊次數：3次。

嚴格遵守此溫度曲線可防止塑膠封裝、內部打線和半導體晶粒受到熱損傷。超過峰值溫度或高溫時間可能導致分層、破裂或參數漂移。

5.2 處理與儲存

必須遵守標準的ESD（靜電放電）預防措施，因為內部的GaAs LED和矽光電晶體易受靜電損壞。請使用接地工作站和靜電手環。元件應儲存在其原始的防潮袋中，並置於乾燥劑和受控環境（通常<40°C/90% RH）下，以防止吸濕，這可能導致迴焊時發生\"爆米花效應\"。

6. 包裝與訂購資訊

6.1 型號編碼與選項

料號結構如下：ELQ3H4(Z)-V.

• Z（包裝選項）：\"TA\"表示捲帶包裝。若省略，預設為管裝。
• V（認證選項）：表示VDE認證標記。

包裝數量：管裝選項每管40個。捲帶（TA）選項每捲1000個。

6.2 捲帶規格

提供了載帶的詳細尺寸，包括凹槽尺寸（A0、B0、D0、D1）、間距（P0）和捲盤尺寸。此資訊對於正確配置自動貼片機是必需的。載帶寬度（W）為16.0mm ± 0.3mm，並指定了進料方向。

7. 應用設計考量

7.1 輸入電路設計

對於交流輸入操作，LED可直接由交流訊號驅動。必須使用限流電阻來設定所需的順向電流（I_F）。其阻值必須根據交流訊號的峰值電壓、LED的V_F和所需的I_F來計算。由於LED是二極體，它僅在半週期導通，除非在其前端使用橋式整流器進行全波操作。寬廣的CTR範圍意味著如果使用固定的I_F，不同元件間的輸出電流將有顯著差異。為了獲得更一致的性能，可考慮使用較高的I_F（此時CTR變化可能較小）或實施回授機制。

3.2 輸出電路設計

光電晶體可用於開關或線性模式。對於數位開關應用，將元件驅動至飽和（I_F足夠高以使V_CE≈ V_CE(sat)）。連接至集極的負載電阻（R_L）決定了輸出電壓擺幅並影響切換速度（較大的R_L會增加上升時間）。對於類比或線性應用，光電晶體工作在其主動區。然而，CTR與I_F曲線的非線性及其強烈的溫度依賴性，使得在沒有補償的情況下進行精確的線性操作具有挑戰性。

7.3 抗雜訊能力與佈局

為了最大化高隔離能力（3750V_rms、低C_IO），仔細的PCB佈局至關重要。根據安全標準，在電路的輸入側與輸出側之間保持足夠的沿面距離與間隙距離。使用接地層，但考慮在光耦合器下方分割接地層，以最小化跨越隔離屏障的電容耦合。在元件兩側的引腳附近放置旁路電容有助於抑制高頻雜訊。

8. 技術比較與選型指引

ELQ3H4的關鍵差異化特點是其交流輸入能力, 超小型SSOP封裝，以及全面的安全認證。選擇光耦合器時，請根據專案需求比較以下項目：

• 與直流輸入光耦合器比較：ELQ3H4簡化了電路，省去了交流訊號的外部整流器，節省了電路板空間和成本。
• 與較大封裝（DIP等）比較：SSOP提供了顯著的空間節省，但可能具有略微不同的熱特性，並且需要更精確的組裝。
• 與高速光耦合器比較：具有更快邏輯閘或數位隔離器的元件提供更高的資料速率（>1 Mbps），但可能具有不同的隔離額定值、電源要求或成本結構。
• 與達靈頓輸出光耦合器比較：達靈頓配置提供更高的CTR（500-1000%），但切換速度較慢且飽和電壓較高。
• CTR分選選擇：如果電路性能對增益高度敏感，請詢問是否有將元件分選到更窄CTR範圍（例如，100-200%）的選項。

9. 常見問題（FAQ）

Q1：我可以直接用電壓源驅動LED嗎？

A1：不行。LED是電流驅動元件。務必使用串聯限流電阻來控制I_F，防止過電流損壞。

Q2：為什麼規格書中輸出上升時間比下降時間慢？

A2：這是光電晶體的典型特性。上升時間受限於通過光電流對光電晶體接面電容充電所需的時間。下降時間則由外部負載電阻和元件內部復合過程對此電容的放電所決定。

Q3：溫度如何影響性能？

A3：CTR通常隨溫度升高而降低。LED的順向電壓（V_F）也會降低。在寬廣溫度範圍內運作的設計中，必須考慮這些效應，以確保可靠的切換閾值或線性度。

Q4：提到的\"遮光效應\"目的是什麼？

A4：不透明的塑膠封裝充當遮光罩，阻擋環境光到達光電晶體。這可防止由外部光源（如室內照明或陽光）引起的誤觸發或偏移電流。

10. 實際應用範例

情境：PLC輸入模組的隔離式交流電源偵測。

一個常見的應用是偵測來自開關或感測器的120V交流訊號是否存在。ELQ3H4非常適合此應用。

1. 輸入電路：120V交流訊號通過一個高阻值、高壓的電阻網路進行降壓以限制電流。可以在LED兩端並聯一個反向保護二極體，以在負半週期鉗制反向電壓，儘管該元件額定用於交流操作。選擇電阻值以將I_F設定在標稱的5-10mA，完全在額定值範圍內。
2. 輸出電路：光電晶體集極通過一個上拉電阻（R_L）連接到PLC的邏輯電源電壓（例如，3.3V或5V）。射極接地。當交流電存在時，光電晶體在導通的半週期內導通，將集極輸出拉低。PLC的數位輸入讀取此脈動的低電位訊號。軟體可以進行去抖動或偵測過零點以確認交流電存在。
3. 優點：此設計提供了強健的電氣隔離，保護敏感的PLC電路免受電源瞬變和故障的影響。緊湊的SSOP封裝允許在單一模組上放置多個此類通道。

11. 工作原理

光耦合器基於光學耦合原理運作以實現電氣隔離。電氣輸入訊號驅動發光二極體（LED），使其發出與電流成比例的紅外光。此光線穿過封裝內部的短透明間隙，照射到矽光電晶體的基極區域。入射的光子在基極產生電子-電洞對，有效地充當基極電流。此光生電流隨後被電晶體的增益放大，產生一個集極電流，該電流是輸入訊號的電氣複製品。關鍵在於訊號傳輸是通過光進行的，輸入與輸出之間沒有電氣連接，從而創建了隔離屏障。

12. 技術趨勢

訊號隔離領域持續發展。雖然像ELQ3H4這樣的傳統基於光電晶體的耦合器在成本效益、中速和高隔離應用中仍佔主導地位，但以下幾個趨勢值得注意：

• 整合度提高：單一封裝內的多通道光耦合器很常見，減少了電路板空間和每通道成本。
• 更高速度的替代方案：對於資料通訊，基於CMOS技術以及射頻或電容耦合的數位隔離器提供了顯著更高的資料速率（高達數百Mbps）、更低的功耗和更好的時序一致性，儘管通常具有不同的隔離電壓額定值。
• 增強可靠性和認證：持續推動更高的可靠性指標（FIT率）、更寬的工作溫度範圍，以及獲得新興標準的認證，特別是在汽車（AEC-Q100）和醫療應用中。
• 封裝微型化：對更小、更薄封裝的追求持續推動終端產品更緊湊，正如ELQ3H4所使用的2.0mm高度SSOP所見。