MICROCOUPLER為高溫應(yīng)用提升功耗性能

飛兆半導(dǎo)體 Muralitharan Samy、Krishnan Ramdass、Robert Krause

光耦合器是具有絕緣安全性及在輸入和輸出之間實(shí)現(xiàn)電氣信號(hào)隔離功能的器件，其絕緣和噪聲抑制特性來(lái)自于采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料。

光耦合器由一個(gè)光源和一個(gè)由透明光導(dǎo)管圍繞的感光檢測(cè)器組成，并藏于環(huán)氧塑料封裝內(nèi)。光源是紅外LED，用來(lái)將電流轉(zhuǎn)換為光。感光檢測(cè)器是一個(gè)硅光電二極管，作用是將光轉(zhuǎn)換回電流，然后通過(guò)集成的晶體管被放大。光耦合器的增益被稱為晶體管輸出器件的電流傳輸比 (CTR)，其定義是光電晶體管集電極電流與LED正向電流的比率(ICE/IF)。光電晶體管集電極電流與VCE有關(guān)，即集電極和發(fā)射極之間的電壓。
額定工作溫度高達(dá)100℃的設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，使業(yè)界對(duì)熱穩(wěn)定性和低驅(qū)動(dòng)電流的需求飚升。封裝技術(shù)的進(jìn)步也在推動(dòng)光耦合器封裝的發(fā)展。從DIP (雙列直插式) 轉(zhuǎn)至SOP (小型封裝) 及MFP (微型扁平封裝) 減小了占位面積，提升了光耦合器的熱性能。體積的減小也有助于在工作溫度范圍內(nèi)增加熱存儲(chǔ)和穩(wěn)定性。

飛兆半導(dǎo)體的Microcoupler (FODB100)是無(wú)鉛表貼光耦合器，提供高達(dá)125℃的封裝工作溫度。隨著工作溫度的提升，電氣性能和穩(wěn)定性成為重要的課題。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，新的LED材料被選用以便在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)提高CTR穩(wěn)定性。AlGaAs (鋁砷化稼) 紅外發(fā)光二極管在一定溫度范圍內(nèi)較GaAs (砷化稼) 紅外發(fā)光二極管具有更好的穩(wěn)定性。AlGaAs LED可于低電流 (達(dá)500 A) 下工作。更小型的封裝和更佳的Ired材料使Microcoupler比傳統(tǒng)的光耦合器封裝在較高的工作溫度范圍內(nèi)具有更加穩(wěn)定的電氣性能。

圖1所示為MFP封裝與Microcoupler在工作溫度范圍內(nèi)CTR性能的比較。Microcoupler在100℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化CTR下降率約為20％，而MFP封裝則為50％。較小的熱體積和較高效率的AlGaAs Ired材料是Microcoupler獲得較佳CTR穩(wěn)定性的原因。由于該產(chǎn)品在一定溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，因此更易于在高溫范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度從0℃上升到100℃時(shí)，F(xiàn)ODB100的CTR從+8％下降到 20％。CTR（I_{F}=1mA)為100％。當(dāng)工作10年后，CTR一般會(huì)下降20％?，F(xiàn)在，我們可以算出上述條件下的CTR：

(CTR在100℃)=100%x0.80x0.80=64%

R_{1}=\frac{(V_{CC}-V_{F})}{I_{F}} →(1)

I_{F}=\frac{I_{CE}}{CTR} →(2)

首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計(jì)算可知CTR為64％。假設(shè)所需I_{CE}為1mA。

從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.64}=1.56mA

從表2可知在100℃當(dāng)V_{F}= 1.1 V時(shí)，V_{CC}= 5V；

功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})

(導(dǎo)通狀態(tài)) =(1.1V 1.56mA)+(0.4V 1mA)=2.117mA

根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度從0℃上升到100℃時(shí)，MFP封裝的CTR從+9％下降到 -50％。CTR (I_{F}=5mA)為100％。假設(shè)LED電流為(I_{F}=1mA)，CTR增益為100%，那么I_{CE}等于1mA。當(dāng)工作10年后，CTR一般會(huì)下降20％?，F(xiàn)在，我們可以算出上述條件下的CTR：

(CTR在100℃) =100%x0.50x0.80=40%

首先確定所需的I_{CE}，然后可以確定I_{F}。從以上計(jì)算可知CTR為40％。假設(shè)所需I_{CE}為1mA。

從公式 2可得：I_{F}=\frac{1mA}{0.4}=2.5mA

從表4可知在100℃當(dāng)V_{F}= 1.15 V時(shí)，V_{CC}= 5V；

功耗=(V_{F} I_{F})+(V_{CE} I_{CE})

(導(dǎo)通狀態(tài)) =(1.15V 2.5mA)+(0.4V 1mA)=3.28mA

熱阻

表5列出了兩種不同封裝在同樣電氣特性下的熱性能。封裝密度和封裝材料對(duì)于封裝從結(jié)點(diǎn)到周圍的散熱能力有很大影響。由于Microcoupler 的封裝密度較小，因此具有比MFP封裝更多的從裸片結(jié)點(diǎn)散熱的路徑。

計(jì)算光耦合器裸片溫度相對(duì)于周圍溫度的上升：

T_{J}=P_{DEVICE\phantom{8}POWER} _{JA}+T_{A}

Microcoupler

Tj (發(fā)射器) = 100.44℃
Tj (檢測(cè)器) = 100.05℃
MFP
Tj (發(fā)射器) = 103.96℃
Tj (檢測(cè)器) = 100.06℃

結(jié)論

在100℃的溫度環(huán)境維持相同增益的前提下，Microcoupler的功耗比標(biāo)準(zhǔn)MFP封裝低約35％。Microcoupler封裝的高效率LED和較佳的熱性能是在高溫應(yīng)用下獲得低功耗的主因。這些優(yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)人員的高溫應(yīng)用提供了理想的低功耗解決方案。