Quali progressi tecnologici per il classico
fotoaccoppiatore a fototransistor?
di Redazione
zione il 28/4/2012 • 17:04 Nessun Commento
Nel moderno mercato degli accoppiatori ottici, gli utenti premono per ottenere una superiore
efficienza, maggiori temperature operative e minime possibilità di malfunzionamento. Gli utenti
auspicano anche più ampi margini di manovra a livello progettuale, il che si traduce in superiori
livelli di caratteristiche. Ad esempio, gli utenti richiedono valori minimi e massimi predeterminati
del parametro CTR (Current Transfer Ratio) unitamente a minori variazioni dello stesso. La gamma
CTR viene verificata
ificata mediante bin test nei quali il valore CTR-CE
CTR CE viene misurato in specifiche
condizioni di prova. Disponendo di tali parametri, gli utenti hanno la possibilità di realizzare design
dalle superiori caratteristiche prestazionali.
Gli utenti ricercano anche
che un optoaccoppiatore in grado di funzionare a bassa corrente, pertanto i
produttori devono definire le specifiche di funzionamento dell’accoppiatore anche per le alte
temperature. Per esempio, la sorgente ottica non è efficiente a bassa corrente tanto quanto
q
lo è in
presenza di correnti più elevate. Assumiamo che l’utente debba utilizzare un classico foto
accoppiatore a fototransistor come il dispositivo FOD817 nell’ambito di un convertitore DC-DC
DC
isolato nell’ambito del loop di feedback. Nel corso degli anni i requisiti progettuali hanno permesso
di ridurre il livello di corrente dell’foto accoppiatore a fototransistor. Sebbene un simile tipo di
optoaccoppiatore possa funzionare egualmente, il dispositivo FOD817 e altri prodotti similari non
sono corredati
ti da specifiche operative per basse correnti del LED. Questo problema è stato risolto
con l’introduzione dei dispositivi della serie FOD8801 OptoHiT™, che forniscono specifiche
verificate rispetto alla temperatura per correnti del LED fino a 1mA. Ne consegue
conse
che i progettisti
possono realizzare design maggiormente accurati rispetto alla costruzione di prototipi e
all’esecuzione di test di qualifica.
Per rispondere a queste esigenze Fairchild Semiconductor ha implementato un tipo differente di
LED (Light Emitting Diode) a infrarossi (IR) che utilizza un materiale chiamato arseniuro di gallioalluminio (AlGaAs). Il LED IR AlGaAs è caratterizzato da superiore velocità e migliori
caratteristiche di temperatura e uniformità di funzionamento, oltre a essere notevolmente più
efficiente alle basse correnti rispetto ai LED IR all’arseniuro di gallio (GaAs) normalmente
utilizzati nella maggior parte degli optoaccoppiatori a fototransistor. Fairchild utilizza inoltre la
tecnologia di packaging coplanare proprietaria OPTOPLANAR®, la quale assicura una capacitanza
input/output (CIO) inferiore del 30% rispetto ai package face-to-face anche nei casi in cui le
dimensioni siano particolarmente contenute, come nel tipo MFP (Mini-Flat Package) half-pitch. Lo
spessore interno di separazione ottica di 0,4 millimetri assicura un grado elevato di isolamento,
evitando ai progettisti di sacrificare tali caratteristiche a vantaggio della compattezza del package (si
veda in proposito l’immagine seguente).
Package coplanare OPTOPLANAR®
Una
risposta
ai
requisiti
tecnologici
I nuovi dispositivi Fairchild della serie OptoHiT™ rispondono alle esigenze degli utenti fornendo
un’eccellente linearità del parametro CTR alle alte temperature e con corrente in entrata
estremamente bassa (IF=1mA). Le eccellenti caratteristiche di questi dispositivi derivano
dall’impiego dei più efficienti LED IR AlGaAs. Il dispositivo FODM8801 è composto da un LED
IR all’arseniuro di gallio-alluminio accoppiato otticamente a un fototransistor al silicio. Il
dispositivo fornisce intervalli CTR garantiti tramite bin test in modalità operativa saturata/non
saturata e capacità di commutazione in un’ampia gamma di temperature d’impiego (da -40°C a
125°C), assicurando una superiore flessibilità progettuale. Grazie alla superiore stabilità del
dispositivo FODM8801 in un vasto intervallo di temperature operative, la deriva e il degrado del
parametro CTR non costituiscono un problema anche nel caso di design destinati alle condizioni
d’impiego più difficili.
Il dispositivo FODM8801 utilizza la tecnologia di packaging coplanare proprietaria
OPTOPLANAR per fornire elevati livelli di isolamento e resistenza ai disturbi ad alte temperature
operative. La tecnologia di packaging coplanare permette all’elemento di sopportare tensioni
elevate anche con package di ridotte dimensioni e assicura una bassa reiezione di modo comune
CMTi (Common Mode Transient immunity) grazie a una capacitanza del package tre volte
inferiore.
Il dispositivo FODM8801 utilizza un compatto package half-pitch mini-flat a 4 pin (4,4×2,5mm,
passo fra i piedini di 1,27mm) che consente di risparmiare spazio prezioso su scheda e assicura una
superiore flessibilità a livello progettuale, contribuendo a ridurre i costi di sistema complessivi.
Il dispositivo FODM8801 offre inoltre un’alta tensione di isolamento (VISO=3750V) che
contribuisce ad accrescere l’affidabilità e a rispettare lo standard ambientale ROHS. I dispositivi
appartenenti alla linea OptoHiT sono ideali per applicazioni industriali quali alimentatori, contatori
intelligenti e controlli del movimento, oltre che per applicazioni consumer quali caricabatterie e
convertitori.
Le
sfide
Le sfide legate agli accoppiatori ottici che gli sviluppatori sono chiamati a superare riguardano le
alte temperature, l’affidabilità e la riduzione dei costi.
Molti progettisti si interrogano in merito al degrado delle caratteristiche dei LED nell’arco della vita
operativa dei sistemi che li utilizzano. Il degrado del LED, che si riferisce alla riduzione permanente
a lungo termine della sua efficienza, dipende da vita utile, temperatura operativa e corrente del LED
stesso. Il degrado del LED riduce il CTR nel lungo periodo. Quando il LED funziona a bassa
corrente, il degrado a lungo termine è minimo. Con basse correnti di funzionamento un incremento
della temperatura operativa ha il massimo influsso sull’efficienza del LED nel breve periodo. La
temperatura di giunzione è il fattore che influisce maggiormente sull’efficienza del LED. Anziché
preoccuparsi della variazione CTR nel lungo periodo, in cui il degrado a bassa corrente (IF< 5mA)
è valutabile nello 0,1% per 1.000 ore di funzionamento, consideriamo che una variazione del 50%
può verificarsi nell’arco di pochi minuti a causa di un forte cambiamento della temperatura. Per
esempio, il CTR del dispositivo FOD817 può diminuire fino al 50% se la temperatura ambiente
cresce di 50⁰C. Un simile incremento della temperatura può verificarsi anche in soli cinque minuti.
Questo effetto può passare inosservato in quanto il CTR ritorna sui valori originari quando la
temperatura ambiente scende ai valori iniziali. La maggior parte delle schede informative riporta
unicamente le caratteristiche tecniche relative al funzionamento a temperatura ambiente.
La velocità del fototransistor è determinata dalla fotocorrente sviluppata dal LED, dal guadagno di
corrente del transistor (hfe) e dalle condizioni del carico. Al calare del flusso del LED la
temporizzazione varia. Se un design opera correttamente nella gamma di temperature stabilita con
bassa corrente, le variazioni nel lungo periodo saranno minime.
La buona notizia è che i nuovi optoaccoppiatori a fototransistor sviluppati da Fairchild, come i
dispositivi FODM8801, FODM453 e HCPL4503, utilizzano il LED IR AlGaAs, che fornisce
prestazioni notevolmente superiori rispetto ai normali LED GaAs impiegati nella maggior parte
degli accoppiatori ottici. Si veda in proposito il grafico allegato, che illustra le significative
differenze tra il LED IR AlGaAs a 880nm e il LED IR GaAs standard a 840nm. La luce emessa dal
LED IR AlGaAs diminuisce soltanto dello 0,225%/⁰C con una corrente operativa di 1mA. Ciò
significa che con una variazione di 50⁰C della temperatura di giunzione la luce emessa dal LED
diminuirà soltanto dell’11%. Nel caso del LED GaAs, alla stessa corrente operativa (IF=1mA) un
incremento di 50⁰C della temperatura di giunzione comporterà tipicamente la perdita del 50% (1%/⁰C) della luce emessa. Non soltanto dunque i LED AlGaAs sono più efficienti (nell’ordine di 23 volte), ma sono anche 4,5 volte più stabili termicamente rispetto ai vecchi e poco efficienti LED
GaAs, generalmente caratterizzati da una variazione di processo di 4:1. La conseguenza è
rappresentata dalla possibilità di estendere la vita operativa del LED grazie a correnti e temperature
più basse.
Si noti che il grafico allegato si riferisce a dati tipici non garantiti.
Fairchild è attivamente impegnata a migliorare le specifiche prestazionali dei propri accoppiatori
ottici. Per quanto riguarda il dispositivo FODM8801 vengono indicate tre gamme CTR differenti. Il
rapporto tra minimo e massimo rimane uguale, ma le tre gamme CTR presentano significative
sovrapposizioni. I LED impiegati sono gli stessi ma il guadagno del transistor (hfe) viene regolato
in modo da offrire bin CTR differenti. Ciò offre all’utente la possibilità di utilizzare la porzione
inferiore dell’area di guadagno per privilegiare la velocità, oppure la porzione superiore qualora il
guadagno sia maggiormente critico rispetto all’ampiezza di banda.
Nel caso in cui siano richiesti livelli superiori di precisione/tolleranza si possono valutare prodotti
che offrono valori CTR garantiti. In linea generale, la preselezione dei LED e la realizzazione di un
amplificatore con feedback vengono effettuate a livello di fabbrica, in modo da lasciare all’utente
unicamente la gestione della variazione del LED e dell’accoppiamento. Per esempio, nel caso
dell’optoaccoppiatore ad alta velocità FOD8012, anche la variazione viene eliminata sostituendo il
fototransistor con un circuito CMOS.
Nuovi sbocchi di mercato per gli optoaccoppiatori ad alta velocità e con gate drive
Oltre ai progressi compiuti negli accoppiatori ottici standard, si stanno aprendo nuovi mercati per
gli optoaccoppiatori ad alta velocità e con gate drive per motori e applicazioni solari, settori in cui
gli utenti richiedono superiori livelli di isolamento rispetto ai 600V standard. Gli accoppiatori ottici
con gate drive sviluppati da Fairchild forniscono fino a 1.414V di tensione operativa e una valore
VIORM/VISO di 5.000V. Secondo IMS Research il mercato degli optoaccoppiatori ad alta velocità,
comprendente gli accoppiatori ottici con gate drive, crescerà a un tasso del 14,5% tra il 2009 e il
2016 (il relativo fatturato nel 2010 ha superato quello dei fototransistor).
Gli optoaccoppiatori a fototransistor sono diffusi da oltre 40 anni e la loro popolarità è diffusa
ancora oggi. I progressi descritti precedentemente – gamma CTR, linearità, range di temperature e
bassa corrente in entrata nel drive – facilitano il lavoro di progettazione e semplificano la messa a
punto da parte di design atti a gestire le condizioni più difficili.
(di Joyce Patrick, Regional Marketing Manager, Optocoupler Products (EMEA) e Robert Krause,
Applications Engineer, Optocoupler Products)
