如何计算光耦合器中的LED寿命性能

光耦合器广泛用于高压隔离和电噪声抑制——在电气系统内的不同电压电位之间传输正确信息的两个基本要求。在工业、医疗、可再生能源环境以及任何其他具有较长预期使用寿命的系统中使用时，此类系统必须能够可靠运行多年。

计算光耦合器中的 LED 寿命性能以预测可靠性 

介绍

光耦合器广泛用于高压隔离和电噪声抑制——在电气系统内的不同电压电位之间传输正确信息的两个基本要求。在工业、医疗、可再生能源环境以及任何其他具有较长预期使用寿命的系统中使用时，此类系统必须能够可靠运行多年。

Avago 光耦合器采用高可靠性 LED 来满足关键的系统可靠性要求。LED 技术是一项成熟的技术，自推出以来的 35 年中，Avago 不断改进制造工艺以改进和完善 LED 性能。这使得 Avago 的光耦合器能够在工业、可再生能源、汽车甚至超高任务关键应用（例如军事和航空航天应用）中找到应用。尽管有许多采用光耦合器的严苛应用，但由于 LED 光输出功率会随着时间的推移而降低，因此仍然存在关于光耦合器工作寿命的担忧。光功率降低可能会导致光耦合器运行不正常和不可靠。本文通过展示 Avago 如何解决性能问题，光耦合器的行业领导者，使用加速条件下的 LED 可靠性应力数据来预测基于 Black 模型的预期 LED 退化性能（JR Black 于 1960 年代末开发的普遍接受的经验模型，用于估计平均故障时间(MTTF) 与电迁移相关的导线 [1]）。该分析为设计人员提供了更大的信心和设计灵活性，因此他们可以为其应用指定最合适的 LED 正向输入电流。

LED 可靠性压力测试

光耦合器使用 LED 通过隔离（或绝缘）屏障（通常只是一个气隙）传输数字或模拟信息。屏障的另一侧是光电晶体管或其他光敏器件，可将光信号转换回电信号。设计人员可以设置一个输入限流电阻，该电阻定义了推荐的 LED 输入驱动电流 (IF)，以产生所需的光输出。然而，由于 LED PN 结的热应力和电应力，光耦合器的 LED 量子效率（输入电流的每个电子的总光子数）会随着时间的推移而降低 [2]。Avago 执行压力测试，以确定在其不同型号的光耦合器中使用的各种 LED 类型在长达 10,000 小时的连续运行期间的 LED 退化。压力测试之一，高温工作寿命 (HTOL) 测试是在 LED 在 125° C 和 20 mA 的连续 IF 下工作的情况下进行的。电流传输比 (CTR) 是通常为光耦合器指定的电气参数。CTR 定义为由光电二极管检测到的光引起的输出集电极电流 (IC) 与产生光的正向 LED 输入电流 (IF) 之比，以百分比表示。设计人员可以使用 CTR 随时间的变化来衡量 LED 退化的程度。CTR 定义为由光电二极管检测到的光引起的输出集电极电流 (IC) 与产生光的正向 LED 输入电流 (IF) 之比，以百分比表示。设计人员可以使用 CTR 随时间的变化来衡量 LED 退化的程度。CTR 定义为由光电二极管检测到的光引起的输出集电极电流 (IC) 与产生光的正向 LED 输入电流 (IF) 之比，以百分比表示。设计人员可以使用 CTR 随时间的变化来衡量 LED 退化的程度。

由于输入电流和温度，LED 会因 LED 晶体结构中的热应力而退化。因此，即使 IF 保持不变，LED 的光输出也会随着时间的推移而减少。光电二极管的 IC 和 CTR 将因此降低。在压力测试时间的每个预定点（168 小时、500 小时、1000 小时等），测量 IC 并计算 CTR。LED 退化性能是使用此数据点集合绘制的，以显示 CTR 的变化与压力测试运行的小时数之间的关系。

方程 1

基于黑色模型的加速因子

基于 Black Model 的加速因子 (AF) 可用于将在短时间内在升高的温度和应力水平下获取的实际 HTOL 应力测试数据点与根据实际应用操作条件的预期寿命相关联光耦合器。

等式 2

对于相同的 CTR 退化性能，LED 的场寿命可以根据以下公式进行预测：

等式 3

为了将 AF 说明为乘法器，请考虑 Avago 光耦合器应力数据条件的数值示例：

等式 4

Avago 光耦合器中的 LED 由 1、2 型砷化铝镓 (AlGaAs) 或磷化砷化镓 (GaAsP) 制成。1 型 AlGaAs LED 主要用于宽体 400 mil DIP-8 和 500 mil DIP-10 封装的光耦合器产品系列，这些封装包含数字光耦合器、隔离放大器、栅极驱动器和 IPM 驱动器。2 型 AlGaAs LED 主要用于 Avago 处理高速数字信号的光耦合器系列和低功耗 10 Mbit/s 数字光耦合器。最后，GaAsP LED 广泛用于 Avago 光耦合器，包括数字光耦合器、模拟光耦合器、用于智能电源管理的栅极驱动器和许多其他应用。表 1、2 和 3 显示了 Avago 光耦合器产品系列和部件号的 LED 类型。

每种 LED 类型采用不同的制造工艺（扩散型或外延生长），以及不同的掺杂浓度。这允许 LED 设计人员定制 LED 光输出功率与电流的关系，以满足光耦合器的不同速度和功率性能要求。在三种不同的 LED 类型中，基于 GaAsP 的 LED 最为成熟，但光输出功率最低，而 AlGaAs 类型 1 的光输出功率最高。这使得 AlGaAs 1 类 LED 可用于更严格的隔离应用，这些应用需要光耦合器封装内的高爬电距离/间隙距离。AlGaAs 2 型 LED 的性能水平介于其他两种 LED 类型之间，可用于需要速度或功率性能的广泛应用。

表 1. 带有 AlGaAs（类型 1）LED 的 Avago 光耦合器

编辑：hfy