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(zhuǎn)換器實現(xiàn)隔離反饋通路的首選器件。但電源結(jié)構(gòu)不斷向前發(fā)展,希望實現(xiàn)更低的成本、更小的尺寸和更高的工作效率。傳統(tǒng)的光耦合器現(xiàn)已進展至接近極限,特別是在高溫工作和熱循環(huán)可靠性方面,因此需要新的解決方案。

?????? 無論電源轉(zhuǎn)換和分配技術(shù)變化多快,變壓器在短期內(nèi)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(xiàn)閉環(huán)控制。傳統(tǒng)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(shù)的出現(xiàn)及對微型化的需求也在驅(qū)動著光耦合器封裝形式的發(fā)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(chǎn)品中,工作于3.3V、典型效率為80％的轉(zhuǎn)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(shè)計中消去。設(shè)計者不得不將更高的輸出功率硬擠進低側(cè)高的薄型轉(zhuǎn)換器中。減少散熱的新設(shè)計方法促使模塊化DC-DC轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn),毋須散熱裝置,且轉(zhuǎn)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(xù)上升?；谶@些原因,雖然光耦合器仍然是想獲得主要安全認證機構(gòu)認可的最終產(chǎn)品的關(guān)鍵器件,但這在模塊化DC-DC轉(zhuǎn)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(tǒng)光耦合器必須改進的原因。

?????? 傳統(tǒng)器件的局限

?????? 高工作溫度是傳統(tǒng)光耦合器的大敵。隨著溫度上升,電流轉(zhuǎn)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(dǎo)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(tǒng)光耦合器的封裝由一個被外部鑄模所密封的圓頂構(gòu)成,也容易受高溫影響而損壞。內(nèi)部光導(dǎo)管材料 (gel/rtv) 與外部鑄?；衔锏臒崤蛎浵禂?shù) (CTE) 若不匹配,封裝就可能出現(xiàn)破裂、芯片翹起、線綁定斷裂或翹起,甚至內(nèi)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(xiàn),這樣會導(dǎo)致微破裂的風(fēng)險,影響器件的可靠性。

?????? 封裝技術(shù)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(chǎn)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(shè)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(chuàng)新？

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

?????? 但是,現(xiàn)代的LED和光敏晶體管技術(shù),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(huán)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(xiàn)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(wěn)固結(jié)構(gòu),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(yōu)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(xiàn)代DC-DC轉(zhuǎn)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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