ELD3H7 ELQ3H7 光耦合器規格書 - 8腳/16腳 SSOP封裝 - 隔離電壓3750Vrms - 電流傳輸比50-600% - 繁體中文技術文件

1. 產品概述

ELD3H7與ELQ3H7是基於光電晶體的光耦合器（光隔離器），專為電氣訊號隔離而設計。它們由一個紅外線發光二極體（LED）與一個矽光電晶體透過光學耦合組成，全部封裝在一個緊湊的表面黏著封裝內。其主要功能是在兩個電路之間傳輸電氣訊號，同時維持高電氣隔離，防止雜訊、接地迴路和電壓突波傳播。

ELD3H7在8腳SSOP（縮小型小外形封裝）內整合了2個獨立隔離通道。ELQ3H7則在16腳SSOP內整合了4個獨立通道。兩種型號均具有2.0毫米的超薄高度，適合空間受限的應用。元件採用無鹵素、綠色模塑化合物，並符合無鉛與RoHS指令。

2. 主要特性與核心優勢

• 高隔離電壓：額定值為3750 V_rms（持續1分鐘），確保在高壓環境中提供穩固的保護與安全性。
• 寬廣電流傳輸比（CTR）：在I_F= 5mA，V_CE= 5V條件下，範圍從50%至600%，為不同的訊號放大需求提供設計彈性。
• 緊湊外形：高度僅2.0毫米的SSOP封裝，非常適合高密度PCB設計。
• 完整的安全認證：通過UL（E214129）、VDE（40028116）、SEMKO、NEMKO、DEMKO、FIMKO及CQC認證，便於在全球受規範的設備中使用。
• 快速開關特性：在指定測試條件下，典型上升時間（t_r）為5 µs，下降時間（t_f）為3 µs，適用於數位訊號傳輸。

3. 目標市場與應用領域

這些光耦合器專為需要可靠訊號隔離與抗雜訊能力的應用而設計。

• DC-DC轉換器：在交換式電源供應器中提供回授迴路隔離。
• 可程式邏輯控制器（PLC）與工業自動化：隔離控制器與現場設備之間的數位I/O訊號。
• 通訊設備：隔離數據機、介面及網路硬體中的訊號線路。
• 一般電路隔離：在不同接地電位或阻抗等級的電路之間傳輸訊號。

4. 深入技術參數分析

4.1 絕對最大額定值

這些是任何情況下均不得超過的應力極限，以防止元件永久損壞。

• 輸入端（LED側）：順向電流（I_F）60 mA；峰值順向電流（I_FP）1 A（脈衝寬度1 µs）；逆向電壓（V_R）6 V；功耗（P_D）70 mW。
• 輸出端（電晶體側）：集極電流（I_C）50 mA；集極-射極電壓（V_CEO）80 V；射極-集極電壓（V_ECO）7 V；功耗（P_C）150 mW。
• 整體元件：總功耗（P_TOT）200 mW；隔離電壓（V_ISO）3750 V_rms.
• 溫度：工作範圍 -55°C 至 +110°C；儲存範圍 -55°C 至 +125°C；焊接溫度 260°C，持續10秒。

4.2 電氣與光電特性

在25°C下測量的典型性能參數。

4.2.1 輸入端（紅外線LED）特性

• 順向電壓（V_F）：典型值1.2V，在I_F=20mA時最大值為1.4V。此參數對於設計LED驅動電路至關重要。
• 逆向電流（I_R）：在V_R=4V時最大值為10 µA，顯示良好的二極體阻斷特性。
• 輸入電容（C_in）：典型值30 pF，影響高頻開關性能。

4.2.2 輸出端（光電晶體）特性

• 暗電流（I_CEO）：在V_CE=20V，I_F=0mA時，最大值為100 nA。這是LED關閉時的漏電流，影響關閉狀態的訊號完整性。
• 崩潰電壓： BV_CEO≥ 80V，BV_ECO≥ 7V，定義了電晶體兩端允許的最大電壓。
• 集極-射極飽和電壓（V_CE(sat)）：典型值0.1V，在I_F=10mA，I_C=1mA時最大值為0.2V。低V_CE(sat)對於邏輯位準輸出是理想的。

4.2.3 傳輸特性

• 電流傳輸比（CTR）：定義為（I_C/ I_F） * 100%。在I_F=5mA，V_CE=5V條件下，指定範圍為50%至600%。此寬廣的分級允許根據所需增益進行選擇。
• 隔離電阻（R_IO）：在500V DC下，最小值為5×10¹⁰Ω，確保優異的直流隔離。
• 隔離電容（C_IO）：典型值0.3 pF，最大值1.0 pF。低電容可最小化高頻雜訊透過隔離屏障的電容耦合。
• 開關時間：在測試條件（V_r=2V，I_f=2mA，R_CE=100Ω）下，上升時間（t_C）典型值5 µs，下降時間（t_L）典型值3 µs。這些值決定了最大可用資料傳輸率。

5. 機械與封裝資訊

5.1 封裝尺寸與外型圖

元件採用SSOP封裝。ELD3H7（2通道）使用8腳SSOP，而ELQ3H7（4通道）使用16腳SSOP。兩者共享2.0毫米的通用低高度。規格書中提供了包含所有關鍵尺寸（本體尺寸、引腳間距、離板高度）的詳細尺寸圖，以供PCB焊墊設計使用。

5.2 腳位配置與極性

對於ELD3H7（8腳）：

• 腳位1、3：分別為通道1與通道2 LED的陽極。
• 腳位2、4：分別為通道1與通道2 LED的陰極。
• 腳位5、7：分別為通道1與通道2光電晶體的射極。
• 腳位6、8：分別為通道1與通道2光電晶體的集極。

對於ELQ3H7（16腳）：

• 腳位1、3、5、7：通道1至4 LED的陽極。
• 腳位2、4、6、8：通道1至4 LED的陰極。
• 腳位9、11、13、15：通道1至4光電晶體的射極。
• 腳位10、12、14、16：通道1至4光電晶體的集極。

5.3 建議PCB焊墊佈局

規格書包含針對8腳與16腳SSOP封裝的建議焊墊圖案設計。遵循這些建議可確保在迴焊過程中形成可靠的焊點，並提供適當的機械穩定性。

5.4 元件標記

元件標記位於頂部表面。標記包括：

• "EL"：製造商識別碼。
• "D3H7" 或 "Q3H7"：2通道或4通道型號的元件編號。
• "Y"：一位數年份代碼。
• "WW"：兩位數週數代碼。
• "V"：表示VDE認證的選用標記。

6. 焊接與組裝指南

這些元件適合使用迴焊技術進行表面黏著組裝。

• 迴焊：在元件本體測量，最大允許焊接溫度為260°C，持續時間不超過10秒。標準無鉛迴焊曲線（IPC/JEDEC J-STD-020）適用。
• 操作：應遵循標準的ESD（靜電放電）預防措施，因為元件包含靜電敏感的半導體。
• 清潔：遵循與綠色環氧樹脂模塑化合物相容的標準PCB清潔程序。
• 儲存：儲存在溫度介於-55°C至+125°C的乾燥環境中。為獲得最佳可焊性，請在日期代碼後的12個月內使用。

7. 包裝與訂購資訊

7.1 型號編碼系統

料號遵循以下格式：EL[D3H7/Q3H7](Z)-V

• EL：系列前綴。
• D3H7 / Q3H7：表示2通道或4通道元件。
• (Z)：捲帶包裝選項。"TA"表示捲帶包裝，若無此標示則為管裝。
• V：表示VDE認證的選用後綴。

7.2 包裝規格

• ELD3H7（管裝）：每管80個。
• ELD3H7（捲帶包裝）：每捲1000個。
• ELQ3H7（管裝）：每管40個。
• ELQ3H7（捲帶包裝）：每捲1000個。

捲帶包裝規格，包括載帶寬度、口袋尺寸和捲盤直徑，均有詳細說明，以供自動貼片機設定使用。

8. 應用設計考量

8.1 典型應用電路

最常見的應用是數位訊號隔離。必須在LED陽極串聯一個限流電阻，以設定所需的順向電流（I_F）。其值計算為R_limit= (V_{CC_input}- V_F) / I_F。在輸出側，一個上拉電阻（R_L）連接在集極與輸出側電源電壓（V_{CC_output}）之間，以定義輸出邏輯位準並限制光電晶體的集極電流。

8.2 設計注意事項與最佳實務

• CTR選擇：選擇適合您的驅動電流與所需輸出電流的CTR等級。較高的CTR允許在相同輸出下使用較低的I_F，從而降低輸入功率。
• 速度與電流權衡：開關速度（t_r， t_f）通常會隨著較高的I_F和較低的R_L而改善，但這會增加功耗。測試電路（I_Fpulse， V_CE=2V， I_C=2mA， R_L=100Ω）提供了預期性能的參考。
• 抗雜訊能力：高隔離電阻（R_IO）與低隔離電容（C_IO）是抑制共模雜訊的關鍵。確保正確的PCB佈局，以避免可能損害額定隔離電壓的爬電距離與間隙問題。
• 熱考量：請勿超過元件的總功耗（P_TOT= 200 mW）。功耗是輸入LED功率（I_F*V_F）與輸出電晶體功率（I_C*V_CE）的總和。

9. 技術比較與差異化

與標準的DIP-4或DIP-6光耦合器相比，ELD3H7/ELQ3H7系列提供顯著優勢：

• 尺寸縮小：對於2通道元件，SSOP封裝佔用的電路板面積不到標準DIP-8封裝的25%，實現了小型化。
• 多通道整合：單一封裝內提供2通道與4通道選項，減少了元件數量，並在多隔離應用中節省了電路板空間。
• 高度：2.0毫米的高度對於超薄設計至關重要。
• 性能：儘管尺寸小巧，仍維持高隔離電壓與寬廣的CTR範圍，這是與許多小型化替代方案的主要區別。

10. 常見問題（FAQ）

10.1 這些光耦合器可達到的最大資料傳輸率為何？

基於5 µs與3 µs的典型上升/下降時間，對於乾淨的數位訊號，最大實用資料傳輸率約為1/(t_r+t_f) ≈ 125 kHz。為確保可靠運作，建議採用50-100 kHz的保守設計目標。

10.2 如何為我的應用選擇正確的CTR等級？

如果您的設計需要在特定輸入電流（I_C）下保證最小輸出電流（I_F），請計算所需的最小CTR：CTR_{min_req}= (I_C/ I_F) * 100%。選擇其最小保證CTR（例如50%）等於或超過此值的元件。使用較高的CTR等級可提供更多的設計餘裕。

10.3 這些元件是否可用於隔離類比訊號？

雖然主要為數位隔離設計，但它們可用於低頻、低精度的類比應用（例如隔離式電源供應器中的回授）。然而，CTR具有強烈的溫度依賴性以及與I_F的非線性關係，這使得它們在沒有大量校準或補償電路的情況下，不適合用於精密類比訊號傳輸。專用的線性光耦合器更適合類比隔離。

10.4 隔離電壓額定值的目的是什麼？如何測試？

3750 V_rms額定值（持續1分鐘）是一項安全規格，表示輸入與輸出側之間絕緣材料的介電強度。測試期間，LED側的所有腳位短路在一起，電晶體側的所有腳位也短路在一起。在這兩組之間施加高交流電壓。此額定值確保了在工業或連接市電的設備中可能發生的高壓暫態保護。

11. 實務設計範例

情境：將微控制器的3.3V數位訊號隔離至5V系統。

• 輸入側： V_{CC_input}= 3.3V。目標I_F= 5 mA以獲得良好的速度與CTR。假設V_F≈ 1.2V，則R_limit= (3.3V - 1.2V) / 0.005A = 420Ω。使用標準430Ω電阻。
• 輸出側： V_{CC_output}= 5V。選擇R_L以限制I_C並設定邏輯位準。對於在I_F=5mA時CTR為100%的情況，I_C≈ 5mA。當電晶體導通（飽和）時，V_CE≈ 0.1V，因此輸出為低電位（~0.1V）。當關閉時，輸出被上拉至高電位5V。當導通時，R_L上的功耗為(5V - 0.1V) * 5mA ≈ 24.5 mW，完全在額定值內。標準的1 kΩ電阻將使I_C≈ (5V - 0.1V)/1kΩ = 4.9mA，這也是可接受的。
• 佈局：將元件放置在PCB上靠近隔離屏障的位置。在輸入與輸出銅箔走線之間，特別是針對高隔離電壓額定值，保持建議的爬電距離與間隙距離（請參考IEC 60950-1等安全標準）。

12. 工作原理

光耦合器透過將電氣訊號轉換為光，在電氣絕緣間隙中傳輸，然後再將光轉換回電氣訊號來運作。在ELD3H7/ELQ3H7中：

1. 電流（I_F）流經紅外線LED，使其發射光子。
2. 這些光子穿過透明的絕緣介電質（模塑化合物），並撞擊矽光電晶體的基極區域。
3. 光子能量在基極產生電子-電洞對，有效地產生基極電流，使電晶體導通。
4. 電晶體導通一個集極電流（I_C），該電流與接收到的光強度成正比，因此也與輸入I_F成正比。比例常數即為CTR。

關鍵在於輸入與輸出之間唯一的連接是光學連接，從而提供了電氣隔離。

13. 產業趨勢與發展

光耦合器技術的趨勢由對更高速度、更小尺寸、更低功耗以及整合附加功能的需求所驅動。雖然像ELD3H7/ELQ3H7這樣的傳統光電晶體耦合器在成本效益、穩健性與高隔離電壓方面表現出色，但新技術正在湧現：

• 高速數位耦合器：利用CMOS技術與整合式LED，實現數十或數百Mbps的資料傳輸率，遠超過基於光電晶體的元件。
• 整合式隔離功能：將隔離與閘極驅動器、隔離式ADC或隔離式電源供應（isoPower）等功能結合的元件。
• 增強的安全與可靠性：持續的開發重點在於改善隔離材料的耐用性、突波耐受性，以及在更小的封裝中實現更高的工作電壓額定值，以滿足不斷演進的國際安全標準。

光電晶體耦合器仍然是成本敏感、通用隔離應用的基礎且廣泛使用的解決方案，其中適中的速度與高可靠性至關重要。