如何計算光耦合器中的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預期使用壽命的系統(tǒng)中使用時，此類系統(tǒng)必須能夠可靠運行多年。

計算光耦合器中的 LED 壽命性能以預測可靠性

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預期使用壽命的系統(tǒng)中使用時，此類系統(tǒng)必須能夠可靠運行多年。

Avago 光耦合器采用高可靠性 LED 來滿足關(guān)鍵的系統(tǒng)可靠性要求。LED 技術(shù)是一項成熟的技術(shù)，自推出以來的 35 年中，Avago 不斷改進制造工藝以改進和完善 LED 性能。這使得 Avago 的光耦合器能夠在工業(yè)、可再生能源、汽車甚至超高任務關(guān)鍵應用（例如軍事和航空航天應用）中找到應用。盡管有許多采用光耦合器的嚴苛應用，但由于 LED 光輸出功率會隨著時間的推移而降低，因此仍然存在關(guān)于光耦合器工作壽命的擔憂。光功率降低可能會導致光耦合器運行不正常和不可靠。本文通過展示 Avago 如何解決性能問題，光耦合器的行業(yè)領(lǐng)導者，使用加速條件下的 LED 可靠性應力數(shù)據(jù)來預測基于 Black 模型的預期 LED 退化性能（JR Black 于 1960 年代末開發(fā)的普遍接受的經(jīng)驗模型，用于估計平均故障時間(MTTF) 與電遷移相關(guān)的導線 [1]）。該分析為設計人員提供了更大的信心和設計靈活性，因此他們可以為其應用指定最合適的 LED 正向輸入電流。

LED 可靠性壓力測試

光耦合器使用 LED 通過隔離（或絕緣）屏障（通常只是一個氣隙）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，可將光信號轉(zhuǎn)換回電信號。設計人員可以設置一個輸入限流電阻，該電阻定義了推薦的 LED 輸入驅(qū)動電流 (IF)，以產(chǎn)生所需的光輸出。然而，由于 LED PN 結(jié)的熱應力和電應力，光耦合器的 LED 量子效率（輸入電流的每個電子的總光子數(shù)）會隨著時間的推移而降低 [2]。Avago 執(zhí)行壓力測試，以確定在其不同型號的光耦合器中使用的各種 LED 類型在長達 10,000 小時的連續(xù)運行期間的 LED 退化。壓力測試之一，高溫工作壽命 (HTOL) 測試是在 LED 在 125° C 和 20 mA 的連續(xù) IF 下工作的情況下進行的。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。設計人員可以使用 CTR 隨時間的變化來衡量 LED 退化的程度。CTR 定義為由光電二極管檢測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。設計人員可以使用 CTR 隨時間的變化來衡量 LED 退化的程度。CTR 定義為由光電二極管檢測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。設計人員可以使用 CTR 隨時間的變化來衡量 LED 退化的程度。

由于輸入電流和溫度，LED 會因 LED 晶體結(jié)構(gòu)中的熱應力而退化。因此，即使 IF 保持不變，LED 的光輸出也會隨著時間的推移而減少。光電二極管的 IC 和 CTR 將因此降低。在壓力測試時間的每個預定點（168 小時、500 小時、1000 小時等），測量 IC 并計算 CTR。LED 退化性能是使用此數(shù)據(jù)點集合繪制的，以顯示 CTR 的變化與壓力測試運行的小時數(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) 可用于將在短時間內(nèi)在升高的溫度和應力水平下獲取的實際 HTOL 應力測試數(shù)據(jù)點與根據(jù)實際應用操作條件的預期壽命相關(guān)聯(lián)光耦合器。

等式2

對于相同的 CTR 退化性能，LED 的場壽命可以根據(jù)以下公式進行預測：

等式?3

為了將 AF 說明為乘法器，請考慮 Avago 光耦合器應力數(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)動器和 IPM 驅(qū)動器。2 型 AlGaAs LED 主要用于 Avago 處理高速數(shù)字信號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)動器和許多其他應用。表 1、2 和 3 顯示了 Avago 光耦合器產(chǎn)品系列和部件號的 LED 類型。

每種 LED 類型采用不同的制造工藝（擴散型或外延生長），以及不同的摻雜濃度。這允許 LED 設計人員定制 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 類型中，基于 GaAsP 的 LED 最為成熟，但光輸出功率最低，而 AlGaAs 類型 1 的光輸出功率最高。這使得 AlGaAs 1 類 LED 可用于更嚴格的隔離應用，這些應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 類型之間，可用于需要速度或功率性能的廣泛應用。

表 1. 帶有 AlGaAs（類型 1）LED 的 Avago 光耦合器

編輯：hfy