通過計(jì)算光電耦合器中LED壽命 預(yù)測產(chǎn)品可靠性

光電耦合器廣泛地應(yīng)用于高電壓隔離和電氣噪聲抑制上，這兩者為電氣系統(tǒng)中于不同電壓電位間正確發(fā)送數(shù)據(jù)的基本要求。這類系統(tǒng)必須達(dá)到多年的可靠運(yùn)行，特別是用于工業(yè)、醫(yī)療、可再生能源，以及其他期望較長工作壽命的系統(tǒng)。

Avago的光電耦合器采用高可靠性LED滿足關(guān)鍵系統(tǒng)可靠性要求，LED是一種成熟的技術(shù)，已有超過35年的歷史，自面市以來，Avago持續(xù)加強(qiáng)生產(chǎn)流程改善LED性能，使得Avago的光電耦合普及到工業(yè)、可再生能源、汽車，甚至是超高關(guān)鍵任務(wù)，如軍事和航天等應(yīng)用。

盡管已經(jīng)有許多惡劣環(huán)境應(yīng)用采用了光電耦合器，但是對(duì)于光電耦合器的工作壽命還是有所疑慮，原因是LED的光輸出功率會(huì)隨著時(shí)間減低，光功率的降低則可能會(huì)引起光電耦合器錯(cuò)誤工作和可靠性問題。本篇文章通過介紹光電耦合器行業(yè)領(lǐng)先廠商安華高科技如何采用基于Black模型，使用加速度條件下LED可靠性壓力數(shù)據(jù)預(yù)測LED劣化程度來解決性能考量問題，這是一個(gè)普遍為業(yè)內(nèi)接受，于1960年代末期由 J.R Black 所發(fā)展，用來估計(jì)電子遷移平均失效前時(shí)間(MTTF, Mean-Time-To-Failure)的實(shí)證模型[1]。這個(gè)分析可以為設(shè)計(jì)工程師帶來更高的信心和設(shè)計(jì)靈活度，幫助他們?yōu)閼?yīng)用找出最合適的LED順向輸入電流。

LED可靠性壓力測試

光電耦合器使用LED作為跨越隔離屏障傳送數(shù)字或模擬信息的方法，在另一端則使用光晶體管或其他光敏器件轉(zhuǎn)換光學(xué)信號(hào)回到電子信號(hào)。設(shè)計(jì)工程師可以通過設(shè)置一個(gè)限流電阻來控制LED的輸入驅(qū)動(dòng)電流(IF)以產(chǎn)生目標(biāo)光輸出。然而由于LED的PN結(jié)長時(shí)間受到熱和電壓力影響，光電耦合器的量子效率，也就是每單位輸入電流所產(chǎn)生的光子數(shù)會(huì)隨著時(shí)間而減少[2]。Avago通過進(jìn)行壓力測試，對(duì)使用在不同光電耦合器產(chǎn)品中的各種LED類型進(jìn)行長達(dá)一萬小時(shí)的連續(xù)工作來決定LED的劣化情況，其中一項(xiàng)壓力測試，高溫操作壽命(HTOL, High Tempertaure Operating Life)測試于125oC溫度和20mA連續(xù)順向電流(IF)的條件下進(jìn)行。

電流傳輸比(CTR, Current Transfer Ratio)是一個(gè)常見的光電耦合器電氣參數(shù)，CTR定義為通過光二極管檢測光產(chǎn)生的集電極輸出電流(IC)相對(duì)于LED順向輸入電流的大小，通常以百分比表示，設(shè)計(jì)工程師可以使用一段時(shí)間后CTR的變化來估計(jì)LED的劣化程度。

電流傳輸比

受到輸入電流和溫度的影響，LED會(huì)因晶體結(jié)構(gòu)的熱壓力而產(chǎn)生劣化，因此，盡管順向電流IF保持不變，LED的光輸出也會(huì)隨著時(shí)間而逐漸減低，從而光二極管的IC和CTR就會(huì)降低。在每個(gè)壓力測試的預(yù)定時(shí)間點(diǎn)，如第168小時(shí)、第500小時(shí)或1,000小時(shí)會(huì)進(jìn)行IC電流的測量并計(jì)算CTR，使用取得的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行劣化程度的繪圖，顯示出CTR相對(duì)于壓力測試進(jìn)行小時(shí)數(shù)的關(guān)系。

基于Black模型的加速系數(shù)

基于Black模型的加速系數(shù)(AF, Acceleration Factor)可以用來進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)提高溫度和壓力實(shí)際HTOL壓力測試數(shù)據(jù)點(diǎn)到實(shí)際應(yīng)用工作情況下光電耦合器可能壽命的相關(guān)性預(yù)測。

對(duì)于相同的CTR劣化表現(xiàn)，LED的現(xiàn)場工作壽命可以通過以下方程進(jìn)行預(yù)測：

LED預(yù)測現(xiàn)場工作小時(shí)數(shù) = AF x LED壓力小時(shí)

方程 (2)以AF作為乘數(shù)，考慮使用一個(gè)Avago光電耦合器壓力數(shù)據(jù)條件作為數(shù)值范例：順向電流IF=20mA，溫度125oC，LED為AA類型，于1,000小時(shí)壓力測試時(shí)間測得的CTR劣化為99.2%，如果光電耦合器的應(yīng)用條件為IF=5mA (假設(shè)100%占空比工作)，環(huán)境溫度為60oC，AF可以計(jì)算為：

LED的預(yù)估現(xiàn)場工作壽命為 AF × 壓力測試小時(shí)數(shù) = 184.7 × 1,000 = 184,767 小時(shí)，約等于21年，此為劣化至99.2% CTR的AA類型LED預(yù)估現(xiàn)場工作時(shí)間，通過計(jì)算出AF值，所有壓力測試數(shù)據(jù)點(diǎn)都可以映射到LED的預(yù)期現(xiàn)場工作壽命。

Avago光電耦合器產(chǎn)品中的LED采用砷化鋁鎵(AlGaAs, Aluminum Gallium Arsenide) Type 1、Type 2或磷砷化鎵(GaAsP, Gallium Arsenide Phosphide)，其中Type 1 AlGaAs LED主要應(yīng)用于寬體400-mil DIP-8和500-mil DIP-10封裝數(shù)字光電耦合器、隔離放大器、門驅(qū)動(dòng)和智能功率模塊IPM驅(qū)動(dòng)。Type 2 AlGaAs LED主要使用在處理高速數(shù)字信號(hào)和低功耗10Mbit/s數(shù)字光電耦合器系列，GaAsP LED則應(yīng)用于各種廣泛的Avago光電耦合器產(chǎn)品，涵蓋數(shù)字光電耦合器、模擬光電耦合器、智能電源管理門驅(qū)動(dòng)以及許多其他應(yīng)用。表1、2和3列出了Avago各種不同LED類型的光電耦合器產(chǎn)品系列和產(chǎn)品型號(hào)。

各類型LED采用不同的生產(chǎn)程序，如擴(kuò)散型或磊晶生長以及不同的參雜方式，這使得LED設(shè)計(jì)工程師可以定制不同電流相對(duì)LED光輸出功率的產(chǎn)品，滿足各種速度和功耗光電耦合器需求。在三種不同LED類型中，基于GaAsP的LED最為成熟但輸出光功率最低，Type 1 AlGaAs LED則可提供最高的光輸出功率，使得這型LED可以應(yīng)用于需要光電耦合器封裝高爬電距離和電氣間隙的最嚴(yán)苛隔離應(yīng)用。Type 2 AlGaAs LED的性能介于其他兩種類型之間，可以使用于各種要求速度或功耗性能組合的廣泛應(yīng)用。所有三種LED類型都有相似的劣化特性，那就是在30年典型工作條件下，原始CTR的損失小于10%。

表1: Avago采用Type 1 AlGaAs LED的光電耦合器產(chǎn)品

表2: Avago采用Type 2 AlGaAs LED的光電耦合器產(chǎn)品

表3: Avago采用GaAsP LED的光電耦合器產(chǎn)品

在圖1、2和3中，采80oC環(huán)境溫度，超過30年現(xiàn)場實(shí)際工作條件繪制出不同類型LED的CTR性能劣化情形，圖形顯示，經(jīng)過30年現(xiàn)場工作后，各類型LED的劣化程度低于10%，也就是CTR維持在原始數(shù)值的90%以上。通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期使用壽命，劣化程度的計(jì)算帶給設(shè)計(jì)工程師選擇順向電流大小的更高靈活度，幫助他們優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取得可靠工作壽命和功耗大小的最佳組合。圖4描述了Type 2 AlGaAs LED在不同LED順向電流下的劣化程度，由圖中我們可以看到，LED在光電耦合器建議工作電流范圍和超過20年的工作時(shí)間條件下，劣化程度低于10%。一般說來，最大化LED工作壽命時(shí)有三個(gè)基本考慮因素：

1、使用較小的LED順向電流IF

2、使用較低的占空比(低于100%)

3、環(huán)境溫度低于125oC

注：IF=20mA條件預(yù)測到22.6現(xiàn)場工作年數(shù)的原因?yàn)閷?shí)際壓力數(shù)據(jù)收集時(shí)間僅達(dá)到1萬小時(shí)，并非代表LED現(xiàn)場工作壽命只有22.6年。要取得更長現(xiàn)場工作年限預(yù)估數(shù)據(jù)，壓力數(shù)據(jù)需超過1萬小時(shí)。

結(jié)論

Avago的光電耦合器產(chǎn)品多年來已經(jīng)廣泛成功地使用在各種艱難惡劣應(yīng)用中作為處理高電壓和電壓瞬變的工具，光電耦合器中使用的LED在超過30年現(xiàn)場實(shí)際工作條件下?lián)碛辛踊陀?0%的卓越性能表現(xiàn)，LED的長工作壽命可以在設(shè)計(jì)工程師選擇最適合應(yīng)用光電耦合器時(shí)帶來更高靈活度，并幫助做出系統(tǒng)可靠工作年限和低功耗間的最佳平衡選擇。