通过计算光电耦合器中LED寿命 预测产品可靠性

介绍
光电耦合器广泛地应用于高电压隔离和电气噪声抑制上，这两者为电气系统中于不同电压电位间正确发送数据的基本要求。这类系统必须达到多年的可靠运行，特别是用于工业、医疗、可再生能源，以及其他期望较长工作寿命的系统。

Avago的光电耦合器采用高可靠性LED满足关键系统可靠性要求，LED是一种成熟的技术，已有超过35年的历史，自面市以来，Avago持续加强生产流程改善LED性能，使得Avago的光电耦合普及到工业、可再生能源、汽车，甚至是超高关键任务，如军事和航天等应用。

尽管已经有许多恶劣环境应用采用了光电耦合器，但是对于光电耦合器的工作寿命还是有所疑虑，原因是LED的光输出功率会随着时间减低，光功率的降低则可能会引起光电耦合器错误工作和可靠性问题。本篇文章通过介绍光电耦合器行业领先厂商安华高科技如何采用基于Black模型，使用加速度条件下LED可靠性压力数据预测LED劣化程度来解决性能考量问题，这是一个普遍为业内接受，于1960年代末期由 J.R Black 所发展，用来估计电子迁移平均失效前时间(MTTF, Mean-Time-To-Failure)的实证模型[1]。这个分析可以为设计工程师带来更高的信心和设计灵活度，帮助他们为应用找出最合适的LED顺向输入电流。

LED可靠性压力测试
光电耦合器使用LED作为跨越隔离屏障传送数字或模拟信息的方法，在另一端则使用光晶体管或其他光敏器件转换光学信号回到电子信号。设计工程师可以通过设置一个限流电阻来控制LED的输入驱动电流(IF)以产生目标光输出。然而由于LED的PN结长时间受到热和电压力影响，光电耦合器的量子效率，也就是每单位输入电流所产生的光子数会随着时间而减少[2]。Avago通过进行压力测试，对使用在不同光电耦合器产品中的各种LED类型进行长达一万小时的连续工作来决定LED的劣化情况，其中一项压力测试，高温操作寿命(HTOL, High Tempertaure Operating Life)测试于125oC温度和20mA连续顺向电流(IF)的条件下进行。

电流传输比(CTR, Current Transfer Ratio)是一个常见的光电耦合器电气参数，CTR定义为通过光二极管检测光产生的集电极输出电流(IC)相对于LED顺向输入电流的大小，通常以百分比表示，设计工程师可以使用一段时间后CTR的变化来估计LED的劣化程度。

电流传输比


受到输入电流和温度的影响，LED会因晶体结构的热压力而产生劣化，因此，尽管顺向电流IF保持不变，LED的光输出也会随着时间而逐渐减低，从而光二极管的IC和CTR就会降低。在每个压力测试的预定时间点，如第168小时、第500小时或1,000小时会进行IC电流的测量并计算CTR，使用取得的数据点进行劣化程度的绘图，显示出CTR相对于压力测试进行小时数的关系。

基于Black模型的加速系数
基于Black模型的加速系数(AF, Acceleration Factor)可以用来进行短时间内提高温度和压力实际HTOL压力测试数据点到实际应用工作情况下光电耦合器可能寿命的相关性预测。



对于相同的CTR劣化表现，LED的现场工作寿命可以通过以下方程进行预测：
LED预测现场工作小时数 = AF x LED压力小时

方程 (2)以AF作为乘数，考虑使用一个Avago光电耦合器压力数据条件作为数值范例：顺向电流IF=20mA，温度125oC，LED为AA类型，于1,000小时压力测试时间测得的CTR劣化为99.2%，如果光电耦合器的应用条件为IF=5mA (假设100%占空比工作)，环境温度为60oC，AF可以计算为：


LED的预估现场工作寿命为 AF × 压力测试小时数 = 184.7 × 1,000 = 184,767 小时，约等于21年，此为劣化至99.2% CTR的AA类型LED预估现场工作时间，通过计算出AF值，所有压力测试数据点都可以映射到LED的预期现场工作寿命。

Avago光电耦合器产品中的LED采用砷化铝镓(AlGaAs, Aluminum Gallium Arsenide) Type 1、Type 2或磷砷化镓(GaAsP, Gallium Arsenide Phosphide)，其中Type 1 AlGaAs LED主要应用于宽体400-mil DIP-8和500-mil DIP-10封装数字光电耦合器、隔离放大器、门驱动和智能功率模块IPM驱动。Type 2 AlGaAs LED主要使用在处理高速数字信号和低功耗10Mbit/s数字光电耦合器系列，GaAsP LED则应用于各种广泛的Avago光电耦合器产品，涵盖数字光电耦合器、模拟光电耦合器、智能电源管理门驱动以及许多其他应用。表1、2和3列出了Avago各种不同LED类型的光电耦合器产品系列和产品型号。

各类型LED采用不同的生产程序，如扩散型或磊晶生长以及不同的参杂方式，这使得LED设计工程师可以定制不同电流相对LED光输出功率的产品，满足各种速度和功耗光电耦合器需求。在三种不同LED类型中，基于GaAsP的LED最为成熟但输出光功率最低，Type 1 AlGaAs LED则可提供最高的光输出功率，使得这型LED可以应用于需要光电耦合器封装高爬电距离和电气间隙的最严苛隔离应用。Type 2 AlGaAs LED的性能介于其他两种类型之间，可以使用于各种要求速度或功耗性能组合的广泛应用。所有三种LED类型都有相似的劣化特性，那就是在30年典型工作条件下，原始CTR的损失小于10%。


表1: Avago采用Type 1 AlGaAs LED的光电耦合器产品


表2: Avago采用Type 2 AlGaAs LED的光电耦合器产品


表3: Avago采用GaAsP LED的光电耦合器产品

在图1、2和3中，采80oC环境温度，超过30年现场实际工作条件绘制出不同类型LED的CTR性能劣化情形，图形显示，经过30年现场工作后，各类型LED的劣化程度低于10%，也就是CTR维持在原始数值的90%以上。通过系统设计的预期使用寿命，劣化程度的计算带给设计工程师选择顺向电流大小的更高灵活度，帮助他们优化系统设计，取得可靠工作寿命和功耗大小的最佳组合。

图4描述了Type 2 AlGaAs LED在不同LED顺向电流下的劣化程度，由图中我们可以看到，LED在光电耦合器建议工作电流范围和超过20年的工作时间条件下，劣化程度低于10%。一般说来，最大化LED工作寿命时有三个基本考虑因素：
1、使用较小的LED顺向电流IF
2、使用较低的占空比(低于100%)
3、环境温度低于125oC



注：IF=20mA条件预测到22.6现场工作年数的原因为实际压力数据收集时间仅达到1万小时，并非代表LED现场工作寿命只有22.6年。要取得更长现场工作年限预估数据，压力数据需超过1万小时。