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通过光电耦合器CTR变化预测LED现场工作寿命


更新时间:2021-09-11  浏览次数:

  广泛地应用于高电压隔离和电气噪声抑制上,这两者为电气系统中于不同电压电位间正确发送数据的基本要求。这类系统必须达到多年的可靠运行,特别是用于工业、医疗、可再生能源,以及其他期望较长工作寿命的系统。

  Avago的光电耦合器采用高可靠性LED满足关键系统可靠性要求,LED是一种成熟的技术,已有超过35年的历史,自面市以来,Avago持续加强生产流程改善LED性能,使得Avago的光电耦合普及到工业、可再生能源、汽车,甚至是超高关键任务,如军事和航天等应用。

  尽管已经有许多恶劣环境应用采用了光电耦合器,但是对于光电耦合器的工作寿命还是有所疑虑,原因是LED的光输出功率会随着时间减低,光功率的降低则可能会引起光电耦合器错误工作和可靠性问题。本篇文章通过介绍光电耦合器行业领先厂商安华高科技如何采用基于Black模型,使用加速度条件下LED可靠性压力数据预测LED劣化程度来解决性能考量问题,这是一个普遍为业内接受,于1960年代末期由 J.R Black 所发展,用来估计电子迁移平均失效前时间(MTTF, Mean-Time-To-Failure)的实证模型[1]。这个分析可以为设计工程师带来更高的信心和设计灵活度,帮助他们为应用找出最合适的LED顺向输入电流。

  光电耦合器使用LED作为跨越隔离屏障传送数字或模拟信息的方法,在另一端则使用光晶体管或其他光敏器件转换光学信号回到电子信号。设计工程师可以通过设置一个限流电阻来控制LED的输入驱动电流(IF)以产生目标光输出。然而由于LED的PN结长时间受到热和电压力影响,光电耦合器的量子效率,也就是每单位输入电流所产生的光子数会随着时间而减少[2]。Avago通过进行压力测试,对使用在不同光电耦合器产品中的各种LED类型进行长达一万小时的连续工作来决定LED的劣化情况,其中一项压力测试,高温操作寿命(HTOL, HighTempertaure Operating Life)测试于125oC温度和20mA连续顺向电流(IF)的条件下进行。

  电流传输比(CTR, Current Transfer Ratio)是一个常见的光电耦合器电气参数,CTR定义为通过光二极管检测光产生的集电极输出电流(IC)相对于LED顺向输入电流的大小,通常以百分比表示,设计工程师可以使用一段时间后CTR的变化来估计LED的劣化程度。

  受到输入电流和温度的影响,LED会因晶体结构的热压力而产生劣化,因此,尽管顺向电流IF保持不变,LED的光输出也会随着时间而逐渐减低,从而光二极管的IC和CTR就会降低。在每个压力测试的预定时间点,如第168小时、第500小时或1,000小时会进行IC电流的测量并计算CTR,使用取得的数据点进行劣化程度的绘图,显示出CTR相对于压力测试进行小时数的关系。

  基于Black模型的加速系数(AF, Acceleration Factor)可以用来进行短时间内提高温度和压力实际HTOL压力测试数据点到实际应用工作情况下光电耦合器可能寿命的相关性预测。

  对于相同的CTR劣化表现,LED的现场工作寿命可以通过以下方程进行预测:

  方程 (2)以AF作为乘数,考虑使用一个Avago光电耦合器压力数据条件作为数值范例:顺向电流IF=20mA,温度125oC,LED为AA类型,于1,000小时压力测试时间测得的CTR劣化为99.2%,如果光电耦合器的应用条件为IF=5mA (假设100%占空比工作),环境温度为60oC,AF可以计算为:

  LED的预估现场工作寿命为 AF × 压力测试小时数 = 184.7 × 1,000 = 184,767 小时,约等于21年,此为劣化至99.2% CTR的AA类型LED预估现场工作时间,通过计算出AF值,所有压力测试数据点都可以映射到LED的预期现场工作寿命。

  各类型LED采用不同的生产程序,如扩散型或磊晶生长以及不同的参杂方式,这使得LED设计工程师可以定制不同电流相对LED光输出功率的产品,满足各种速度和功耗光电耦合器需求。在三种不同LED类型中,基于GaAsP的LED最为成熟但输出光功率最低,Type 1 AlGaAs LED则可提供最高的光输出功率,使得这型LED可以应用于需要光电耦合器封装高爬电距离和电气间隙的最严苛隔离应用。Type 2 AlGaAs LED的性能介于其他两种类型之间,可以使用于各种要求速度或功耗性能组合的广泛应用。所有三种LED类型都有相似的劣化特性,那就是在30年典型工作条件下,原始CTR的损失小于10%。

  在图1、2和3中,采80oC环境温度,超过30年现场实际工作条件绘制出不同类型LED的CTR性能劣化情形,图形显示,经过30年现场工作后,各类型LED的劣化程度低于10%,也就是CTR维持在原始数值的90%以上。通过系统设计的预期使用寿命,劣化程度的计算带给设计工程师选择顺向电流大小的更高灵活度,帮助他们优化系统设计,取得可靠工作寿命和功耗大小的最佳组合。

  图4描述了Type 2 AlGaAs LED在不同LED顺向电流下的劣化程度,由图中我们可以看到,LED在光电耦合器建议工作电流范围和超过20年的工作时间条件下,劣化程度低于10%。一般说来,最大化LED工作寿命时有三个基本考虑因素:

  注:IF=20mA条件预测到22.6现场工作年数的原因为实际压力数据收集时间仅达到1万小时,并非代表LED现场工作寿命只有22.6年。要取得更长现场工作年限预估数据,压力数据需超过1万小时。

  Avago的光电耦合器产品多年来已经广泛成功地使用在各种艰难恶劣应用中作为处理高电压和电压瞬变的工具,光电耦合器中使用的LED在超过30年现场实际工作条件下拥有劣化低于10%的卓越性能表现,LED的长工作寿命可以在设计工程师选择最适合应用光电耦合器时带来更高灵活度,并帮助做出系统可靠工作年限和低功耗间的最佳平衡选择。

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  变器IPM(智能功率模块)包括三相逆变器的输出级,预驱动电路,自举电路和保护电路。 特性 优势 Over-电流保护电路 具有单独的发射器和VITRIP端子以进行保护 所有通道的欠压锁定 安全异常时所有IGBT门关闭 上/下ON保护电路 系统故障可以减少噪音 温度监控器热敏电阻 可以使用高精度监控器 直接输入CMOS电平没有绝缘的控制信号 无需光电耦合器设计 应用 终端产品 电机驱动器模块 电机控制系统 工业/通用控制系统HVAC 工业风扇电机 泵 洗衣机 电路图、引脚图和封装图...

  MGA-545P8 适用于5-6GHz系统的低电流22dBm中等功率放大器,适用于LPCC2x2

  MGA-545P8是一款经济实惠,极限平特肖公式规律,易于使用的GaAs E-pHEMT MMIC中功率放大器,采用8引脚LPCC(JEDEC DFP-N)封装,非常适合用作802.11a网卡和AP中的驱动放大器,以及5-6GHz固定无线接入的输出放大器。虽然针对5.8GHz应用进行了优化,但该器件在1-6 GHz频率范围内具有出色的RF性能,功效和产品一致性。 通过简单的输入匹配,MGA-545P8提供饱和功率输出为22dBm,5.8GHz时饱和增益为9.5dB,直流偏置仅需3.3V / 92mA,功率附加效率为46%。在线dBm线性Pout的小信号增益,满足5.6%EVM。特性 热效封装尺寸仅为2mm x 2mm x 0.75mm。其背面金属化提供了出色的散热性能以及焊料回流的可视证据。该器件的点MTTF超过300年,安装温度为85 o C....

  MGA-30789是一个宽带,高线性度 增益模块MMIC放大器使用Broadcom的专有0.25um GaAs增强模式pHEMT工艺。 该器件需要简单的直流偏置元件才能实现宽带宽性能。 特性 高线性度 产品规格的优异均匀性 内置温度补偿内部偏置电路 不需要 RF 匹配组件 标准 SOT89 封装 MSL-2和无铅无卤素 用于基站应用的高MTTF 应用 射频驱动放大器 通用增益模块

  MGA-31189是一款0.25W高增益驱动放大器MMIC,适用于50 MHz至2.0 GHz的应用,采用SOT-89标准塑料封装。 它是Broadcom增益模块系列之一,具有高线性度,高增益,出色的增益平坦度和低功耗特性。 MGA-31189是一款0.25W增益模块解决方案,针对频率进行了优化,可提供卓越的RF性能。此高增益0.25W增益模块系列有2个器件。 MGA-31189适用于50 MHz至2.0 GHz的应用,而MGA-31289适用于1.5 GHz至3.0 GHz,因此覆盖了所有主要的蜂窝频段 - mdash; GSM,CDMA和UMTS加上下一代LTE频段。 通用的封装和PCB布局允许单一设计支持多种频率和地域市场,并可选择输出功率。这些器件还具有高增益,可以减少所需的RF级总数。 特性 符合ROHS 无卤素 低直流偏置功率下的极高线性度 高增益 良好的增益平坦度 低噪声图 产品规格的优异均匀性 SOT-89标准包装...

  MGA-621P8是一款经济实惠,易于使用的GaAs MMIC低噪声放大器(LNA)器件。该器件设计用于700 MHz至1.5 GHz频率范围内的最佳使用,并采用微型2.0x2.0x0.75mm 3 8引脚双扁平无引线( DFN)封装。 特性 高线性性能 低噪声系数 低成本小封装尺寸 集成断电控制引脚 应用 用于小型蜂窝基站应用的LNA 其他低噪声射频应用

  MGA-725M4 具有旁路开关的3V LNA,2至14dBm可调节IIP3,MiniPak封装

  MGA-725M4是一款低噪声放大器,内置旁路开关,采用微型无引线封装。它采用MiniPak 1412封装,专为3V蜂窝/ PCS应用而设计,例如: CDMA手机中的LNA和驱动放大器。偏压:3V,20mA;增益= 14.4dB; NF = 1.4dB;所有2GHz的IP3i = 9.9dBm。

  Broadcom MGA-634P8是一款经济,易于使用的GaAs MMIC低噪声放大器(LNA),通过使用Broadcom专有的0.25um GaAs增强模式pHEMT工艺实现了低噪声和高线低噪声放大器是Broadcom超低噪声,高增益,高线性度砷化镓(GaAs)低噪声放大器系列的最新成员,旨在用作蜂窝基站收发器无线电的第一级LNA卡,塔顶放大器(TMA),合路器,中继器和远程/数字无线高线性低噪声放大器特点: 1500 MHz到2300 MHz操作 同类最佳NF:0.44 dB @ 1900 MHz 高线 高增益:17.4 dB 21 dBm OP1dB @ 1900 MHz 单5V电源和48mA低功耗 240 mW Broadcom&rs的通用封装和匹配网络现状MGA-63xP8系列 简化不同频率的PCB设计和工程 功能 Ultra Low noise Figure 高线性性能 GaAs E-pHEMT技术 低成本小封装尺寸:2.0x2.0x0.75mm 3 产品规格的优异均匀性 可提供卷带包装选项 应用 低噪音用于GSM,TDS-CDMA和CDMA蜂窝基础设施的放大器 其他超低噪声应用...

  Broadcom ALM-2203是一款微型高度集成的LNA滤波器RFIC模块。该模块旨在使卫星数字音频无线电服务(SDARS)信号与现代汽车中常见的蜂窝,WiFi,蓝牙和GPS信号共存。 该模块集成了三个低噪声放大器(LNA)采用微型5x5x0.95mm封装的Film Bulk Acoustic Resonator(FBAR)滤波器。该模块具有低噪声系数,高增益和低电流消耗,非常适用于关键的低功耗卫星数字音频无线电服务(SDARS)无线电系统。 功能 高级OOB P1dB,支持SDARS与蜂窝/ WiFi / GPS共存 高度集成的芯片模块,降低BOM成本和设计时间 低噪声系数(NF)增强SDARS接收器灵敏度 适用于带集成蜂窝/ WiFi发射器的SDARS天线mm适用于鲨鱼的包装-fin型天线 应用程序 SDARS Radio系统 ...

  MGA-86563 5V LNA,20dB高增益,0.5-6GHz,SOT363(SC-70)

  MGA-86是5V部件,具有高增益和低噪声系数。它采用微型SOT-363封装和70 mil陶瓷封装,专为5V低噪声放大器应用而设计。偏压:5V,16mA;增益= 20dB; NF = 2dB; P1dB = 6dBm; IP3i = -4dB均为2GHz。

  MGA-71543 带旁路开关的3V LNA,0至9dBm可调节IIP3,SOT343(SC-70)

  MGA-71543是一款内置旁路开关的低噪声放大器。它采用微型SOT-343封装,专为3V蜂窝/ PCS应用而设计,例如: CDMA手机中的LNA和驱动放大器。偏置3V,10mA:增益= 16dB; NF = 1.1dB;所有在2GHz时IIP3 = 4.3dB。在旁路模式下:插入损耗= 5.6dB; IIP3 = 35dBm。

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