通過(guò)計算光電耦合器中LED壽命 預測產(chǎn)品可靠性

光電耦合器廣泛地應用于高電壓隔離和電氣噪聲抑制上，這兩者為電氣系統中于不同電壓電位間正確發(fā)送數據的基本要求。這類(lèi)系統必須達到多年的可靠運行，特別是用于工業(yè)、醫療、可再生能源，以及其他期望較長(cháng)工作壽命的系統。

Avago的光電耦合器采用高可靠性LED滿(mǎn)足關(guān)鍵系統可靠性要求，LED是一種成熟的技術(shù)，已有超過(guò)35年的歷史，自面市以來(lái)，Avago持續加強生產(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(chē)，甚至是超高關(guān)鍵任務(wù)，如軍事和航天等應用。

盡管已經(jīng)有許多惡劣環(huán)境應用采用了光電耦合器，但是對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(zhù)時(shí)間減低，光功率的降低則可能會(huì )引起光電耦合器錯誤工作和可靠性問(wèn)題。本篇文章通過(guò)介紹光電耦合器行業(yè)領(lǐng)先廠(chǎng)商安華高科技如何采用基于Black模型，使用加速度條件下LED可靠性壓力數據預測LED劣化程度來(lái)解決性能考量問(wèn)題，這是一個(gè)普遍為業(yè)內接受，于1960年代末期由 J.R Black 所發(fā)展，用來(lái)估計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)分析可以為設計工程師帶來(lái)更高的信心和設計靈活度，幫助他們?yōu)閼谜页鲎詈线m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換光學(xué)信號回到電子信號。設計工程師可以通過(guò)設置一個(gè)限流電阻來(lái)控制LED的輸入驅動(dòng)電流(IF)以產(chǎn)生目標光輸出。然而由于LED的PN結長(cháng)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)生的光子數會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而減少[2]。Avago通過(guò)進(jìn)行壓力測試，對使用在不同光電耦合器產(chǎn)品中的各種LED類(lèi)型進(jìn)行長(cháng)達一萬(wàn)小時(shí)的連續工作來(lái)決定LED的劣化情況，其中一項壓力測試，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(jiàn)的光電耦合器電氣參數，CTR定義為通過(guò)光二極管檢測光產(chǎn)生的集電極輸出電流(IC)相對于LED順向輸入電流的大小，通常以百分比表示，設計工程師可以使用一段時(shí)間后CTR的變化來(lái)估計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 )因晶體結構的熱壓力而產(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(zhù)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電流的測量并計算CTR，使用取得的數據點(diǎn)進(jìn)行劣化程度的繪圖，顯示出CTR相對于壓力測試進(jìn)行小時(shí)數的關(guān)系。

基于Black模型的加速系數

基于Black模型的加速系數(AF, Acceleration Factor)可以用來(lái)進(jìn)行短時(shí)間內提高溫度和壓力實(shí)際HTOL壓力測試數據點(diǎn)到實(shí)際應用工作情況下光電耦合器可能壽命的相關(guān)性預測。

對于相同的CTR劣化表現，LED的現場(chǎng)工作壽命可以通過(guò)以下方程進(jìn)行預測：

LED預測現場(chǎng)工作小時(shí)數 = AF x LED壓力小時(shí)

方程 (2)以AF作為乘數，考慮使用一個(gè)Avago光電耦合器壓力數據條件作為數值范例：順向電流IF=20mA，溫度125oC，LED為AA類(lèi)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用條件為IF=5mA (假設100%占空比工作)，環(huán)境溫度為60oC，AF可以計算為：

LED的預估現場(chǎng)工作壽命為 AF × 壓力測試小時(shí)數 = 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(lèi)型LED預估現場(chǎng)工作時(shí)間，通過(guò)計算出AF值，所有壓力測試數據點(diǎn)都可以映射到LED的預期現場(chǎng)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主要應用于寬體400-mil DIP-8和500-mil DIP-10封裝數字光電耦合器、隔離放大器、門(mén)驅動(dòng)和智能功率模塊IPM驅動(dòng)。Type 2 AlGaAs LED主要使用在處理高速數字信號和低功耗10Mbit/s數字光電耦合器系列，GaAsP LED則應用于各種廣泛的Avago光電耦合器產(chǎn)品，涵蓋數字光電耦合器、模擬光電耦合器、智能電源管理門(mén)驅動(dòng)以及許多其他應用。表1、2和3列出了Avago各種不同LED類(lèi)型的光電耦合器產(chǎn)品系列和產(chǎn)品型號。

各類(lèi)型LED采用不同的生產(chǎn)程序，如擴散型或磊晶生長(cháng)以及不同的參雜方式，這使得LED設計工程師可以定制不同電流相對LED光輸出功率的產(chǎn)品，滿(mǎn)足各種速度和功耗光電耦合器需求。在三種不同LED類(lèi)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可以應用于需要光電耦合器封裝高爬電距離和電氣間隙的最嚴苛隔離應用。Type 2 AlGaAs LED的性能介于其他兩種類(lèi)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用。所有三種LED類(lèi)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(guò)30年現場(chǎng)實(shí)際工作條件繪制出不同類(lèi)型LED的CTR性能劣化情形，圖形顯示，經(jīng)過(guò)30年現場(chǎng)工作后，各類(lèi)型LED的劣化程度低于10%，也就是CTR維持在原始數值的90%以上。通過(guò)系統設計的預期使用壽命，劣化程度的計算帶給設計工程師選擇順向電流大小的更高靈活度，幫助他們優(yōu)化系統設計，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(guò)20年的工作時(shí)間條件下，劣化程度低于10%。一般說(shuō)來(lái)，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條件預測到22.6現場(chǎng)工作年數的原因為實(shí)際壓力數據收集時(shí)間僅達到1萬(wàn)小時(shí)，并非代表LED現場(chǎng)工作壽命只有22.6年。要取得更長(cháng)現場(chǎng)工作年限預估數據，壓力數據需超過(guò)1萬(wàn)小時(shí)。

結論

Avago的光電耦合器產(chǎn)品多年來(lái)已經(jīng)廣泛成功地使用在各種艱難惡劣應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(guò)30年現場(chǎng)實(shí)際工作條件下?lián)碛辛踊陀?0%的卓越性能表現，LED的長(cháng)工作壽命可以在設計工程師選擇最適合應用光電耦合器時(shí)帶來(lái)更高靈活度，并幫助做出系統可靠工作年限和低功耗間的最佳平衡選擇。