光耦合器采用表面貼裝滿足未來分布式電源需求

光耦合器是電源和轉換器實現隔離反饋通路的首選器件。但電源結構不斷向前發展,希望實現更低的成本、更小的尺寸和更高的工作效率。傳統的光耦合器現已進展至接近極限,特別是在高溫工作和熱循環可靠性方面,因此需要新的解決方案。

?????? 無論電源轉換和分配技術變化多快,變壓器在短期內是不會有太大改變,因為它們需要從次邊到初邊的隔離反饋來實現閉環控制。傳統采用雙列直插式封裝 (DIP) 的光耦合器已存在超過 30 年。與此同時,表面貼裝技術的出現及對微型化的需求也在驅動著光耦合器封裝形式的發展,從 DIP 到小外形封裝 (SOP)及微型扁平封裝 (MFP)。

?????? 在新一代最終產品中,工作于3.3V、典型效率為80％的轉換器所需的散熱器或外部冷卻裝置所占用的空間將逐漸從設計中消去。設計者不得不將更高的輸出功率硬擠進低側高的薄型轉換器中。減少散熱的新設計方法促使模塊化DC-DC轉換器的出現,毋須散熱裝置,且轉換效率高達90%及以上。然而,它的功率密度卻很高,盡管效率只有少許提高,但器件工作溫度持續上升。基于這些原因,雖然光耦合器仍然是想獲得主要安全認證機構認可的最終產品的關鍵器件,但這在模塊化DC-DC轉換器中已成為不容忽視的問題。其它實際問題如成本和尺寸等,也是推動傳統光耦合器必須改進的原因。

?????? 傳統器件的局限

?????? 高工作溫度是傳統光耦合器的大敵。隨著溫度上升,電流轉換比 (CTR) (即光敏晶體管的輸出電流與LED輸入電流的比率) 會快速下降,在溫度高于85 °C時導致極低的輸出電流。LED的效率對器件的整體熱性能也有很大影響。

?????? 傳統光耦合器的封裝由一個被外部鑄模所密封的圓頂構成,也容易受高溫影響而損壞。內部光導管材料 (gel/rtv) 與外部鑄模化合物的熱膨脹系數 (CTE) 若不匹配,封裝就可能出現破裂、芯片翹起、線綁定斷裂或翹起,甚至內部材料溢出。此外,DIP光耦合器封裝不能良好地貼裝在PCB上。表面貼裝回流需要形成引線才能實現,這樣會導致微破裂的風險,影響器件的可靠性。

?????? 封裝技術的局限還會帶來其它缺陷。例如過鑄模工藝十分昂貴和費時,而且還需要鑄模材料去除工藝,例如去閃爍 (deflashing),這些都會增加生產光耦合器封裝的時間和成本。此外,形成不同尺寸如4、6或8引腳封裝的模具所需的工具也要很大的投資。再者,若一項設計的其它器件都采用扁平的表面貼裝器件如TSSOP或TQFP,DIP封裝的高度也會造成問題。

?????? 減載或創新？

?????? 面對高溫下熱性能下降的一個方法是將轉換器限定在一個較窄的溫度范圍內。這種方法的缺點是轉換器不能在期望的溫度范圍內輸出全功率。另外,最近的一些設計則利用脈沖變壓器或磁耦合器來代替光耦合器。

?????? 但是,現代的LED和光敏晶體管技術,加上新的表面貼裝BGA封裝,可讓光耦合器承受較高的工作溫度,獲得良好的熱循環可靠性,并減少器件尺寸和封裝成本。圖1所示為采用BGA封裝的表面貼裝光耦合器,其最大高度為1.20mm,面積小于現時的PDIP封裝。

圖1? 采用BGA封裝的單通道光耦合器

?????? 該封裝方式省去了過鑄模工藝,但仍然可提供能承受高溫的穩固結構,并且可去除需要投入大量資金的工藝,如去閃爍和引線形成等。

?????? 高功率LED和優化的光敏晶體管也對該器件增強的熱性能做出了不小貢獻。LED在低電流時仍可有效工作,再加上晶體管的高增益,使到該器件能在室溫下獲得很高的典型CTR。這種稱為Microcoupler(tm)的新型器件的工作溫度比現代DC-DC轉換器其它板上器件所能承受的溫度更高。

?????? Microcoupler器件包含一個基底,其上

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