MICROCOUPLER為高溫應用提升功耗性能

光耦合器是具有絕緣安全性及在輸入和輸出之間實現電氣信號隔離功能的器件，其絕緣和噪聲抑制特性來自于采用的機械結構和材料。

光耦合器由一個光源和一個由透明光導管圍繞的感光檢測器組成，并藏于環氧塑料封裝內。光源是紅外led，用來將電流轉換為光。感光檢測器是一個硅光電二極管，作用是將光轉換回電流，然后通過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，即集電極和發射極之間的電壓。
額定工作溫度高達100℃的設計的出現，使業界對熱穩定性和低驅動電流的需求飚升。封裝技術的進步也在推動光耦合器封裝的發展。從dip (雙列直插式) 轉至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增加熱存儲和穩定性。

飛兆半導體的microcoupler (fodb100)是無鉛表貼光耦合器，提供高達125℃的封裝工作溫度。隨著工作溫度的提升，電氣性能和穩定性成為重要的課題。面對這些挑戰，新的led材料被選用以便在規定的工作溫度范圍內提高ctr穩定性。algaas (鋁砷化稼) 紅外發光二極管在一定溫度范圍內較gaas (砷化稼) 紅外發光二極管具有更好的穩定性。algaas led可于低電流 (最低達500 a) 下工作。更小型的封裝和更佳的ired材料使microcoupler比傳統的光耦合器封裝在較高的工作溫度范圍內具有更加穩定的電氣性能。

圖1所示為mfp封裝與microcoupler在工作溫度范圍內ctr性能的比較。microcoupler在100℃時的標準化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穩定性的原因。由于該產品在一定溫度范圍內展現較高的穩定性，因此更易于在高溫范圍內進行設計。

根據圖1的數據，當溫度從0℃上升到100℃時，fodb100的ctr從+8％下降到 20％。最小ctr（i_{f}=1ma)為100％。當工作10年后，ctr一般會下降20％。現在，我們可以算出上述條件下最小的ctr：

最小 (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}。從以上計算可知ctr為64％。假設所需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v_{f}= 1.1 v時，v_{cc}= 5v；

功耗=(v_{f} i_{f})+(v_{ce} i_{ce})

(導通狀態) =(1.1v 1.56ma)+(0.4v 1ma)=2.117ma

根據圖1的數據，當溫度從0℃上升到100℃時，mfp封裝的ctr從+9％下降到 -50％。最小ctr (i_{f}=5ma)為100％。假設led電流為(i_{f}=1ma)，ctr增益為100%，那么i_{ce}等于1ma。當工作10年后，ctr一般會下降20％。現在，我們可以算出上述條件下最小的ctr：

最小 (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}。從以上計算可知ctr為40％。假設所需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v_{f}= 1.15 v時，v_{cc}= 5v；

功耗=(v_{f} i_{f})+(v_{ce} i_{ce})

(導通狀態) =(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于封裝從結點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點散熱的路徑。

計算光耦合器裸片溫度相對于周圍溫度的上升：

t_{j}=p_{devicephantom{8}power} _{ja}+t_{a}

microcoupler

tj (發射器) = 100.44℃
tj (檢測器) = 100.05℃
mfp
tj (發射器) = 103.96℃
tj (檢測器) = 100.06℃

結論

在100℃的溫度環境維持相同增益的前提下，microcoupler的功耗比標準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用下獲得低功耗的主因。這些優點為設計人員的高溫應用提供了理想的低功耗解決方案。