中心議題:
- 介紹光耦合器件的特點和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
- 分析光耦合器件封裝可靠性及其應(yīng)用
解決方案:
- 光電耦合器件是板上電源原邊和副邊的隔離器件,同時肩負(fù)反饋和過壓/過流保護(hù)作用
- 為適應(yīng)光電管的大電流需求,把光電管部分制作為復(fù)合晶體管
近年來,通信電子設(shè)備由于Internet普及應(yīng)用獲得了長足發(fā)展。這些通信電子設(shè)備在實現(xiàn)高功能化的同時,自身不斷小型化,而其中內(nèi)置的板上電源部件(On-board Power Supply Block),正逐漸成為其小型化的障礙。在板上電源部件里,光電耦合器件是占居空間較大的器件之一,因而成為板上電源部件進(jìn)一步小型化的關(guān)鍵。
圖1是當(dāng)今流行的板上電源的示意圖。從圖中可以看出,光電耦合器件(photo coupler)是板上電源原邊和副邊的隔離器件,同時肩負(fù)反饋和過壓/過流保護(hù)作用。也就是說,它在以板上電源為首的開關(guān)電源里,可把副邊輸出反饋到原邊,以便于調(diào)整電源輸出。此外,因為過壓/過電流需要實現(xiàn)保護(hù),往往需要幾個光電耦合器件。一旦大量使用光電耦合器件,它所占居的板上電源組裝面積就相當(dāng)可觀的。為此,強烈要求研究與開發(fā)超小型光電耦合器件。本文選取PS29xx系列為例,介紹通用超小型光耦合器件的特點,內(nèi)部結(jié)構(gòu),可靠性和符合各種安全規(guī)格的應(yīng)用情況。
光耦合器件的特點和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
光電耦合器件PS29xx系列具有以下特點:①削減組裝面積——以往的PS28xx系列的組裝面積較大(7.0×2.7mm2),新產(chǎn)品PS29xx系列的組裝面積僅為2.5×5.0mm2,節(jié)約面積30%以上。②高絕緣耐壓——輸入和輸出之間的絕緣耐壓可保證2500Vr.m.s,完全符合板上電源和通信設(shè)備市場需求。③適應(yīng)安全規(guī)格——由于保證絕緣距離為0.4 mm,可適應(yīng)以UL等各種安全規(guī)格,諸如BSI(附加絕緣),北歐4規(guī)格(附加絕緣)、VDE、CSA等。④低封裝高度——由于采用扁平封裝,已將封裝高度控制在2.0mm以下,故可用于調(diào)制解調(diào)器卡。⑤豐富的產(chǎn)品系列——按照用途設(shè)計受光晶體管,已開發(fā)出豐富多彩的系列產(chǎn)品供用戶選購。 電子電路圖
因為光耦合器是絕緣安全器件,因此,它與其他半導(dǎo)體器件的封裝結(jié)構(gòu)不同,而是有特殊結(jié)構(gòu)要求。它的主要結(jié) 構(gòu)參數(shù)如下:① 空間距離(Air Distance)——是指輸入側(cè)和輸出側(cè)的外部引線距離;②沿面距離(Creepage Distance)——是指沿輸入側(cè)引線和輸出側(cè)引線之間模制(Mold)樹脂的最短距離,若比最短距離還要短,則便有漏電的危險;③絕緣厚度(Insulation thickness)——是指輸入側(cè)和受光側(cè)的導(dǎo)體之間的最小距離。
在一般的板上電源和通信設(shè)備市場上對光電耦合器件的要求如下:空間距離≥4.0mm,沿面距離≥4.0mm,絕緣距離≥0.4mm,必須滿足這些要求,否則無法應(yīng)用。以上所述的要求,正是光電耦合器件實用化的結(jié)構(gòu)制約因素。PS289xx系列封裝結(jié)構(gòu)便是在上述的前提下,盡量削減組裝面積而設(shè)計的:它的空間距離和沿面距離相等,確保為4.0mm;引線寬為0.4±0.1mm,引線的中心間距為1.27mm,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)具備如下優(yōu)點:①引線長度很短,接地面積的離散很?。虎谝€水平方向機械強度高。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)里,充分考慮絕緣距離:① LED側(cè)和受光器件側(cè)的引線框之間距離最短;②LED側(cè)的金屬線和受光器件之間距離最短;③LED側(cè)的金屬線受光器件側(cè)的金屬線間距離最短。 電子技術(shù)書籍網(wǎng)
封裝可靠性
盡管PS29xx封裝十分小巧,但是其封裝的可靠性和以往的大型封裝并無差異,同樣可靠。它的引線腳是嵌條狀結(jié)構(gòu)(參閱圖2),非常適合于高密度表面貼裝焊接。PS29xx封裝的可靠性實驗結(jié)果,詳見表1所示。為了使PS29xx系列光電耦合器具備很高的可靠性采用了雙重模塑包封;第一層樹脂和引線框之間的距離通過優(yōu)化,使封裝結(jié)構(gòu)具備很高的可靠性。
電子電路圖
應(yīng)用舉例
PS29xx系列光電耦合器是通用電子器件,在民用和工業(yè)用電子設(shè)備中具有廣泛應(yīng)用。該系列里各型號光電耦合器各有各自的應(yīng)用領(lǐng)域,例如,PS2911型光電耦合器的特點是超小型、低輸入驅(qū)動和高絕緣耐壓(當(dāng)結(jié)溫Ta=25℃、RH=60%、施加AC電壓1分鐘時,可耐壓2.5kV),它適用于板上電源的反饋和過壓保護(hù)、輸入/輸出接口和混合IC電路;PS2915型光電耦合器,在輸入端(1、2)上并聯(lián)有正、負(fù)極相反的兩個LED,它除了具備超小型、低輸入驅(qū)動和耐2.5kV高壓之外,還允許輸入AC信號,因此它的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛,它還可以用于調(diào)制解調(diào)器、電話撥號脈沖發(fā)生器、線路監(jiān)視部分環(huán)路檢測等。
在PS2932和PS2933型光電耦合器里,適應(yīng)光電管的大電流需求,專門把光電管部分制作為復(fù)合晶體管(戴林頓晶體管),在其輸出端(3、4)可產(chǎn)生60mA的Ic電流。這樣的光電耦合器件用于控制/切斷開關(guān)電源主變壓器的勵磁電流,對于發(fā)展間歇式開關(guān)電源發(fā)揮出重要作用。
此外,PS29xx系列光電耦合器件是UL安全規(guī)格的認(rèn)定產(chǎn)品,也有附加絕緣,符合BSI、CSA、VDE和北歐的安全規(guī)格,能在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。
此外,應(yīng)該看到光電耦合器件是通用電子器件,它自身的改進(jìn)也將促進(jìn)其應(yīng)用的發(fā)展。例如,光電耦合器件中的LED和受光部分光電三極管,若能提高自身的發(fā)光效率和光電轉(zhuǎn)換效率,則將能開拓出許多新的應(yīng)用領(lǐng)域,其中,重要的應(yīng)用領(lǐng)域是拓展板上電源的應(yīng)用。如今利用遙控器啟動的形形色色的板上電源很多,例如現(xiàn)代家庭中應(yīng)用的低電壓電源,其效率極低,電能浪費很大。今后隨著低耗能光電耦合器件的出現(xiàn),交流間歇型的開關(guān)電源(或串行調(diào)解電源)將會普及,對環(huán)境保護(hù)將會做出重要貢獻(xiàn)。