汽车级光耦合器的可靠LED

摘要
光耦合器处理汽车一级应用的关键推动因素之一是使用非常高性能的led。LED光输出下降低于0.2%/°C，有助于实现高温规格和改进LED设计和制造。再加上包装设计，这已经证明了非常可靠的性能。根据一些15年前的汽车的任务概况，这转化为在高加速持续运行寿命应力条件下约2000小时。在5000小时的压力后，当前的转移比下降不到10%，系统设计者可以适应这种变化，以覆盖超过35年的汽车寿命。
 
介绍
油价的快速上涨推动了燃料高效混合动力汽车（HEVs）的增长，成为汽车行业的中心舞台。在混合动力汽车中使用的高压电池需要绝缘和隔离。在目前的混合动力车设计中，我们选择了光耦合器。图1显示了光耦合器位于HEV的电机驱动系统中的位置。
 
尽管Avago技术公司的汽车光耦器是最近对隔离产品组合的补充，但Avago光耦器已经成功地应用于混合动力汽车项目近10年，尽管以工业级产品的形式。在今天的市场上，它不再足以解决所有新兴的汽车隔离应用，特别是在高达125°C的高温环境下需要可靠的长期运行的应用中。
 

图1电机驱动系统中的光耦合器

LED改进 

光耦合器的主要部分由光电探测器IC电路和LED组成。在实践中，光电探测器有时可以重新合格高温汽车使用很少或没有设计变化。然而，LED需要更仔细的考虑。一些竞争对手甚至客户可能会对在如此高的环境温度下使用led表示担忧或偏见。其中一些观点认为，一个LED在高环境温度下的长期使用后，可能会出现显著的光输出退化。这里的关键作用词是：潜力。自LED出现以来，LED设计和加工的持续和快速发展导致了LED固有老化性能的巨大差异。为客户提供具有卓越寿命 

性能的LED已不再是一个基本的技术问题。 

LED的可靠性在各个领域都取得了显著的进展，如图2所示。更高的LED内部量子效率，更好的LED光提取和光信道效率的提高，可以了输入驱动电流IF）的要求。通过设计低前向电压（VF）led，Avago可以降低输入功率(IF xvf)来减少在LED中产生的热量。良好的电流扩展LED设计将改善LED内的电流分布，进一步提高固有寿命。

图2。发光二极管的改进综述 

通过更好的设备和持续的工艺优化，消除了LED制造缺陷。自从Avago的光耦器引入以来，这些改进工作已经持续了35年。

LED光输出的温度系数 

led的亮度与温度的系数为负。为了能够处理超过+105°C（汽车1级和2级）的环境温度，低温漂移在最小化参数温度漂移方面具有显著的优势。 

在+125°C时，用于Avago汽车级光耦合器的led通常下降了20%的<，而商用（消费级和通用工业）红外led在+125°C时通常下降了高达60%（图3）。由于这超出了商用led的推荐温度范围，它确实强调了只有专门设计的用于高温操作的led才能用于汽车级光耦合器的重要性。

 图3 在高环境温度下，led的归一化光输出 

由于光输出的低漂移，这被LED正向电压的负温度系数有所减轻。例如，在3.3V系统中，这将有10%的补偿效应，导致整体漂移<10%. 

 

装配包装

LED覆盖硅树脂，以减少LED上的包装应力，防止机械应力相关的故障。Avago光耦合器符合湿度敏感性1级（MSL1），这在减少水分引起的故障方面起着重要作用。图4（第3页）中所示的软件包构造显示了各种构造组件。 

在产品设计过程中也考虑到了散热增强。铅框架材料和设计用于改善产品的散热，以减少结到环境热阻(θ贾)，从而防止了在LED上的局部加热。

图4 安华科技公司汽车光耦合器建设的横截面 

 

汽车光耦合器的使用寿命

在图5中Avago的ACPL-M43T的高温工作寿命应力下，可以观察到工艺和设计改进的结果。消费者级led被放在同一包装中，以与Avago的汽车级led进行比较。研究结果显示，来自其他供应商的消费者级led与Avago的汽车级led在可靠性性能上存在巨大差异。消费级led不能很好地处理高温，这并不奇怪，因为它们的最终应用并不需要它们这样做。消费级led的降解速度很快，并随着时间的推移表现出很大的变化。下一个值得强调的重要一点是，这些数据是来自一系列晶圆批次生产的led，因此这种非常紧密的分布表明Avago的汽车级led有非常好的控制。 

汽车设计师使用任务概况来确定汽车使用的部件的适用性。任务配置文件是组件或系统正在使用的时间，考虑到应用程序运行的温度。根据提供给Avago以供评估的一些任务概况，将15年的野外寿命转化为高温条件下2000小时的连续组件应力。电流传递比CTR）是光耦中耦合效率的关键指标，在5000小时连续应力后变化小于10%，可以很容易地预算，使超过35年的现场寿命的稳健设计。

图5。单晶体管光耦合器的标准化CTR高达5k小时  

结论

Avago的密封光耦合器在军事和空间应用中显示了高可靠性和高温鲁棒性（-55°C到+125°C）。Avago现在已经升级了其塑料光耦合器组合，以处理延长的温度和满足汽车行业的价格需求。塑料光耦合器已经被混合动力汽车制造商证明在工业温度范围内的大容量HEV应用。引入高达+125°C的全温范围，便于在所有汽车应用中使用aecq100合格的塑料光耦合器。

审核编辑 黄昊宇