如何計(jì)算光耦合器中的LED壽命性能

光耦合器廣泛用于高壓隔離和電噪聲抑制——在電氣系統(tǒng)內(nèi)的不同電壓電位之間傳輸正確信息的兩個(gè)基本要求。在工業(yè)、醫(yī)療、可再生能源環(huán)境以及任何其他具有較長(zhǎng)預(yù)期使用壽命的系統(tǒng)中使用時(shí)，此類(lèi)系統(tǒng)必須能夠可靠運(yùn)行多年。

計(jì)算光耦合器中的 LED 壽命性能以預(yù)測(cè)可靠性

介紹

光耦合器廣泛用于高壓隔離和電噪聲抑制——在電氣系統(tǒng)內(nèi)的不同電壓電位之間傳輸正確信息的兩個(gè)基本要求。在工業(yè)、醫(yī)療、可再生能源環(huán)境以及任何其他具有較長(zhǎng)預(yù)期使用壽命的系統(tǒng)中使用時(shí)，此類(lèi)系統(tǒng)必須能夠可靠運(yùn)行多年。

Avago 光耦合器采用高可靠性 LED 來(lái)滿足關(guān)鍵的系統(tǒng)可靠性要求。LED 技術(shù)是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，自推出以來(lái)的 35 年中，Avago 不斷改進(jìn)制造工藝以改進(jìn)和完善 LED 性能。這使得 Avago 的光耦合器能夠在工業(yè)、可再生能源、汽車(chē)甚至超高任務(wù)關(guān)鍵應(yīng)用（例如軍事和航空航天應(yīng)用）中找到應(yīng)用。盡管有許多采用光耦合器的嚴(yán)苛應(yīng)用，但由于 LED 光輸出功率會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，因此仍然存在關(guān)于光耦合器工作壽命的擔(dān)憂。光功率降低可能會(huì)導(dǎo)致光耦合器運(yùn)行不正常和不可靠。本文通過(guò)展示 Avago 如何解決性能問(wèn)題，光耦合器的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，使用加速條件下的 LED 可靠性應(yīng)力數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)基于 Black 模型的預(yù)期 LED 退化性能（JR Black 于 1960 年代末開(kāi)發(fā)的普遍接受的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用于估?jì)平均故障時(shí)間(MTTF) 與電遷移相關(guān)的導(dǎo)線 [1]）。該分析為設(shè)計(jì)人員提供了更大的信心和設(shè)計(jì)靈活性，因此他們可以為其應(yīng)用指定最合適的 LED 正向輸入電流。

LED 可靠性壓力測(cè)試

光耦合器使用 LED 通過(guò)隔離（或絕緣）屏障（通常只是一個(gè)氣隙）傳輸數(shù)字或模擬信息。屏障的另一側(cè)是光電晶體管或其他光敏器件，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。設(shè)計(jì)人員可以設(shè)置一個(gè)輸入限流電阻，該電阻定義了推薦的 LED 輸入驅(qū)動(dòng)電流 (IF)，以產(chǎn)生所需的光輸出。然而，由于 LED PN 結(jié)的熱應(yīng)力和電應(yīng)力，光耦合器的 LED 量子效率（輸入電流的每個(gè)電子的總光子數(shù)）會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低 [2]。Avago 執(zhí)行壓力測(cè)試，以確定在其不同型號(hào)的光耦合器中使用的各種 LED 類(lèi)型在長(zhǎng)達(dá) 10,000 小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行期間的 LED 退化。壓力測(cè)試之一，高溫工作壽命 (HTOL) 測(cè)試是在 LED 在 125° C 和 20 mA 的連續(xù) IF 下工作的情況下進(jìn)行的。電流傳輸比 (CTR) 是通常為光耦合器指定的電氣參數(shù)。CTR 定義為由光電二極管檢測(cè)到的光引起的輸出集電極電流 (IC) 與產(chǎn)生光的正向 LED 輸入電流 (IF) 之比，以百分比表示。設(shè)計(jì)人員可以使用 CTR 隨時(shí)間的變化來(lái)衡量 LED 退化的程度。CTR 定義為由光電二極管檢測(cè)到的光引起的輸出集電極電流 (IC) 與產(chǎn)生光的正向 LED 輸入電流 (IF) 之比，以百分比表示。設(shè)計(jì)人員可以使用 CTR 隨時(shí)間的變化來(lái)衡量 LED 退化的程度。CTR 定義為由光電二極管檢測(cè)到的光引起的輸出集電極電流 (IC) 與產(chǎn)生光的正向 LED 輸入電流 (IF) 之比，以百分比表示。設(shè)計(jì)人員可以使用 CTR 隨時(shí)間的變化來(lái)衡量 LED 退化的程度。

由于輸入電流和溫度，LED 會(huì)因 LED 晶體結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力而退化。因此，即使 IF 保持不變，LED 的光輸出也會(huì)隨著時(shí)間的推移而減少。光電二極管的 IC 和 CTR 將因此降低。在壓力測(cè)試時(shí)間的每個(gè)預(yù)定點(diǎn)（168 小時(shí)、500 小時(shí)、1000 小時(shí)等），測(cè)量 IC 并計(jì)算 CTR。LED 退化性能是使用此數(shù)據(jù)點(diǎn)集合繪制的，以顯示 CTR 的變化與壓力測(cè)試運(yùn)行的小時(shí)數(shù)之間的關(guān)系。

方程 1

基于黑色模型的加速因子

基于 Black Model 的加速因子 (AF) 可用于將在短時(shí)間內(nèi)在升高的溫度和應(yīng)力水平下獲取的實(shí)際 HTOL 應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)與根據(jù)實(shí)際應(yīng)用操作條件的預(yù)期壽命相關(guān)聯(lián)光耦合器。

等式2

對(duì)于相同的 CTR 退化性能，LED 的場(chǎng)壽命可以根據(jù)以下公式進(jìn)行預(yù)測(cè)：

等式?3

為了將 AF 說(shuō)明為乘法器，請(qǐng)考慮 Avago 光耦合器應(yīng)力數(shù)據(jù)條件的數(shù)值示例：

等式4

Avago 光耦合器中的 LED 由 1、2 型砷化鋁鎵 (AlGaAs) 或磷化砷化鎵 (GaAsP) 制成。1 型 AlGaAs LED 主要用于寬體 400 mil DIP-8 和 500 mil DIP-10 封裝的光耦合器產(chǎn)品系列，這些封裝包含數(shù)字光耦合器、隔離放大器、柵極驅(qū)動(dòng)器和 IPM 驅(qū)動(dòng)器。2 型 AlGaAs LED 主要用于 Avago 處理高速數(shù)字信號(hào)的光耦合器系列和低功耗 10 Mbit/s 數(shù)字光耦合器。最后，GaAsP LED 廣泛用于 Avago 光耦合器，包括數(shù)字光耦合器、模擬光耦合器、用于智能電源管理的柵極驅(qū)動(dòng)器和許多其他應(yīng)用。表 1、2 和 3 顯示了 Avago 光耦合器產(chǎn)品系列和部件號(hào)的 LED 類(lèi)型。

每種 LED 類(lèi)型采用不同的制造工藝（擴(kuò)散型或外延生長(zhǎng)），以及不同的摻雜濃度。這允許 LED 設(shè)計(jì)人員定制 LED 光輸出功率與電流的關(guān)系，以滿足光耦合器的不同速度和功率性能要求。在三種不同的 LED 類(lèi)型中，基于 GaAsP 的 LED 最為成熟，但光輸出功率最低，而 AlGaAs 類(lèi)型 1 的光輸出功率最高。這使得 AlGaAs 1 類(lèi) LED 可用于更嚴(yán)格的隔離應(yīng)用，這些應(yīng)用需要光耦合器封裝內(nèi)的高爬電距離/間隙距離。AlGaAs 2 型 LED 的性能水平介于其他兩種 LED 類(lèi)型之間，可用于需要速度或功率性能的廣泛應(yīng)用。

表 1. 帶有 AlGaAs（類(lèi)型 1）LED 的 Avago 光耦合器

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