1、高压隔离高容驱动光电耦合器的研制半导体光电)2006 年 6 月第 27 卷第 3 期曹湘腾等: 高压隔离高容驱动光电耦舍器的研制高压隔离高容驱动光电耦合器的研制曹湘腾,李应辉.,吴健,龙平.,李尚玲.(1.电子科技大学光电信息学院.四川 I 成都 610054;2.重庆光电技术研究所.重庆400060)摘要:介绍了采用有机硅凝胶(双组分)灌封技术,在陶瓷管座内制作而成的一种新型光电耦合器.其隔离电压可达 10kV 以上,驱动负载电容可达 3000pF 以上.叙述了该器件的工作原理,工作特性,设计思想及制作过程,理论分析和大量的实验表明,该器件具有响应速度快,结构简单,性能稳定,可靠性高等优点
2、.关键词:高压隔离;高容驱动;有机硅凝胶;光电耦合器中图分类号:TN36 文献标识码:A 文章编号:10015868(2006)03026902High?-voltageIsolationandHigh?-capacitanceDrivingOptocouplerCAOXiangteng,LIYinghui,WUJian,LONGPing,LIShangling(1.SchoolofOptoeltronicInformation?UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Cltengdu610054,CHN;2.ChongqingOpt
3、oelectronicsResearchInstitute,Chongqing400060,CHN)Abstract:Byusingsiliconegel(doubleingredient),highvoltageisolationandhighcapacitancedriveoptocouplerhasbeensuccessfullydevelopedintheceramicpackage.Isolatinghighvoltageover10kVanddrivingloadcapacitanceover3000pFcanberealized.Theoperationprinciple,cha
4、racteristics,manufacturingprocessesanddesignideaareexplained.Thetestanalysisandexperimentsindicatethatitischaracterizedbysuchadvantagesashighresponsevelocity,simplestructure,finestabilizationandhighreliability.Keywords:high-voltageisolation;high-capacitancedriving;siliconegel;optocoupler1 引言光电耦合器已被广
5、泛应用于计算机系统,工业自动化控制,航空航天,信息网络系统等领域1.常见的光电耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件,其输出特性与双极型晶体管的输出特性相似,因而可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路.但是输出接容性负载时,容性负载的充,放电将严重影响到速度以及波形;同时,普通的光电耦合器的隔离电压通常不高于 2000V,仅限于一般低压环境下工作2. 为此,我们研制,开发了一种新型的光电耦合器.本文将阐述采用有机硅凝胶灌封技术,在陶瓷管座内制作而成的一种新型光电耦合器.其隔离电压可达 10kV 以上,驱动负载电容可达 3000收稿日期:20050907.pF 以上.2 器件的结构和工作原理
6、其简要的工作原理为:当给输入端红外发光二极管(LED)加上电信号,LED 发光,Si-PIN 探测器接收到光信号,并将光信号转换成电信号.当输人为高电平时,经专用 IC 集成芯片处理后,输出为低电平,三极管截止,而 MOS 管为导通状态,负载电容开始充电;当输人为低电平时,经专用 IC 集成芯片处理后,输出为高电平,MOS 管截止,而三极管为导通状态,负载电容开始放电.因此负载电容充,放电都有独立的回路,采用如图 l 所示的电路设计,能大大地提高器件驱动电容负载的能力,减少充,放电的时间.器件中电容起到滤波作用,采用 0.47F的贴片电容.SEMIcoNDUCToRoPI0ELECTRoNIC
7、SVoI.27No.3June2006图 1 器件的简要电路原理图3 主要技术参数的设计3.1 上升时间 t 与下降时间 t 的设计从各个方面考虑,采用多种措施来保证器件的上升时间和下降时间.光源采用高速 GaA1AsLED,其 t,tf 均小于 20ns.输出端采用专用 IC 集成电路芯片以及 MOS 管 ,三极管组成的独立双回路设计.当光源确定以后,器件的上升时间 t 和下降时间 tr 由探测器的响应时间 r.,专用 Ic 集成芯片的上升时间 tr(1,下降时间 tf(1 以及 MOS 管,三极管的上升时间 trfM),trfT)和下降时间 t“M),tffT)决定.上升时间 t 和下降时
8、间 tf 可分别表示为3t 一/r 毛+t2r(1c)+T)+t2r(M)(1)tf 一/r 毛+ lc)+ :(T)+ M)(2)其中,rD 一 5ns;tr(1c),tf(1c)50ns;tr(M)9.5ns,tf(M)4.8ns;tr(T) 40nsf(tM)30ns.由式(1)和(2)可得:t60ns,tf65ns.3.2 隔离电压的设计隔离电压与多方面因素有关:VlsO 一(3)式中,Vso 为击穿电压,e 为介电强度,d 为光源与探测器之间的距离,为电极常数,主要由电极的表面粗糙度,电极形状等决定,通常在 0.91.0.由式(3)可知, 要提高隔离电压,必须通过选择绝缘性能好的材料
9、和增大两极间的距离来实现,但增大两极间的距离会导致探测器的输出电流急剧下降.采用有机硅凝胶(双组分)真空灌封,一 3mm时能实现 V10kV,同时保证探测器有足够大的输出电流,以驱动后置电路.3.3 输出高电平,伽与输出低电平,0L 的设计采用专用 IC 集成电路芯片,其主要性能参数为Vcc 一 515V,V()H12V,V(M.0.6V.当 IC 芯片输出为高电平时,M0S 管截止,而三极管为导通状态,Vo-VcEf 蚰 I】.采用典型值 VcE 一 0.1V 的贴片三极管;当 IC 芯片输出为低电平时,三极管截止,而 MOS 管为导通状态,VoVcc VDs.4 器件的制作工艺器件的制作工
10、艺流程大致为:陶瓷管座的制作,厚膜电路制作,三极管/MOS 管及电容的焊结,LED/PIN 及专用 IC 芯片的烧结压焊,中测 1,封装,中测 2,筛选,检验.其中三极管/MOS 管及电容的焊结采用锡焊;LED/PIN 及专用 IC 集成电路芯片采用金丝球压焊技术,并用导电胶粘接.封装是实现高压隔离的关键,采用有机硅凝胶(双组分)真空灌封.具体的操作分四步进行:配胶,抽真空,点胶,烘焙.配胶的比例决定器件的性能和稳定性.5 结果5.1 驱动电容负载的能力测试,分析器件的驱动电容负载能力测试电路图如图 2.图 2 驱动电容负载能力的测试电路测试条件:输入方波信号,频率厂一 1MHz,峰值电流,F
11、P 一 10mA,取样电阻 RN 一 50Q,Vcc 一 15V,R 一 50Q,占空比为 1:1,CI.为负载电容,CH1为输入信号,CH2 为输出信号.首先,测试器件在未加 M0S 管,三极管的情况下,直接从专用 IC 集成电路芯片输出,负载电容CL 一 3300pF,检测到的输出波形如图 3.由图 3 可知,此时波形严重变形,信号完全失真,表明器件无法驱动大容性负载.采用本文新的设计,对器件在 C 一 0 与 C 一 3300pF 两种情况进行测试,测试所得的波形分别如图 4,5 所示.lj/一,rf一fi:q.P1:蚋蛾 a,Pz-)量蛳 jI 盘奎乜蛳糟盹t,图 3 在未加 MOS
12、管,三极管的情况下 ,CL 一 3300pF 时的输入一输出特性曲线(下转第 299 页)半导体光电2006 年 6 月第 27 卷第 3 期钟四成等:CCD 减薄技术研究光生电子驱赶到正面而不被复合掉.当然,离子注入后再进一步进行高温处理对器件不利,但可以采用快速激光退火来解决.减薄后的 CCD 背面很光滑 ,如果没有增透膜,大量的光子将被反射回去,而且 CCD 背面的多次反射将产生干涉条纹,使得 CCD 的量子效率大为降低.因此,需要对减薄后的 CCD 背面镀增透膜4.器件减薄前后的光谱响应曲线如图 2 所示.由图可见 CCD 经过减薄,离子注入 ,以及涂覆增透膜等处理后,其量子效率呀由正
13、面照射的 40oA 增加到约 829,6,光谱响应范围由 400800nm 扩展至 2001000nm,达到了 CCD 作为主探测器在天文观测和空间导航方面的应用要求 j.A,um图 2 光谱响应曲线图我们通过化学/机械减薄方法,把 CCD 芯片减薄到 20m,其精度在 1m 之内,从而使 CCD 芯片获得很好的平整度,提高了 CCD 背面入射的量子效率灵敏度和光谱响应范围,拓展了 CCD 的应用领域.同时,通过对 CCD 芯片的铟柱倒焊技术的研究,解决了减薄芯片的封装难题.参考文献:1WinzenreadR.Flat,thinnedscientificCCDsJ.Proc.SPIE,1994
14、,2198:876-894.2JanesickJR.Scientificcharge-coupledevicesJ.Opt.Eng.,1987,26(8):692714.3SchaeferAR.megapixelCCDthinning/backsideprogressatSAICEJ.Proc.SPIE,1991,1665,4149.4LesserMP,OuelletteDB.BackilluminatedCCDmosaicsJ.Proc.SPIE,1995,2415:182.5LesserMP.ImprovingCCDquantumefficincyJ.Proc.SPIE,1994,1900
15、:782791.作者简介:钟四成(1974 一), 男,1997 年毕业于四川大学微电子技术专业,获学士学位.现为工程师,主要从事 CCD 的制作和研究工作.E-mail:zhong_sc127163.corn(上接第 270 页)图 4C 一 0 时输入一输出特性曲线I 羹(蘑=:=鞲=:毒“一“=咋图 5CL 一 3300pF 时输入一输出特性曲线通过对图 35 的输出波形进行比较,分析,可知:采用 MOS 管,三极管独立双回路设计,大大地改善了输出波形,明显地提高了器件的驱动电容负载的能力.5.2 输出高电平 y 咖,输出低电平 yoL 的测试输出高电平 V.测试条件:V 一 15V,J=0,测试结果 V.13V;输出低电平 V.测试条件:Vcc 一 15V,JF 一 25mA,测试结果 V0L4o.2V.参考文献:1李应辉,王世俊 .多路高速光电耦合器J.半导体光电,2000,21(增刊):78-80.2张亮,李应辉 ,刘永智.高压隔离高线性度光电耦合器J. 半导体光电,2004,25(4):264267.3祁天佑,李应辉 .高速高压光电耦合器J.半导体光电,1994,15(4):367-368.作者简介:曹湘腾(1981 一), 男,硕士研究生,现从事光电耦合器,光通信器件方面的研究.E-mail:caoxiangtengtom.corn
