QX7840光电耦合模拟隔离放大器的研发及产业化

项目联系人：丁蕾  18681182777

单位：宁波群芯微电子有限责任公司

研究背景及意义

光电耦合器是一种用于安全隔离和功率驱动的半导体元器件，广泛应用于消费电子、通讯、工业控制、电力等领域，我国每年光耦需求量在200亿只以上，而国内企业仅在低端市场占有一定份额，中高端市场基本被欧美日及中国台湾厂商所占领。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是工业控制变频器和逆变器中最昂贵的器件，须尽可能对其进行保护。隔离放大器能快速感应错误情况，提供微控制器算法，避免错误情况造成IGBT故障；另外，其光学隔离也可以避免错误情况造成微控制器过载而引发故障。然而目前隔离放大器主要被美国博通公司所垄断。

为此，亟需通过技术攻关把高速光电耦合器的设计技术和高速ADC技术结合起来，研发国产隔离放大器，以满足工业控制动力设备驱动系统用集成电路元器件的供应链需求。

项目介绍

工作原理：差分输入电压通过sigma-delta高精度ADC进行数字化编码后送给高速红外发光二极管驱动器，驱动红外LED芯片发光和不发光，并通过隔离屏障送到光敏接收器，利用解码器和DAC把数据恢复成模拟电压信号，通过专用模拟低通滤波器输出差分高精度模拟信号，并将其高精度放大8倍。国产隔离放大器产品内部由输入芯片、红外发光二极管、光敏芯片三个部分组成。

总体设计：

（1）组成设计：光耦包含红外LED芯片、LED驱动芯片和光敏集成电路芯片三个芯片；其中红外LED芯片采用外购方式，LED驱动芯片和光敏集成电路芯片需要设计和流片。

（2）根据光耦产品的基本设计输入参数，研究LED驱动芯片和光敏集成电路芯片架构，制定二者总体设计方案，细化分解各功能块的具体设计参数，进行芯片级的电路设计和版图设计。

（3）开展CMOS集成电路工艺研究，确定芯片流片试验的工艺条件并进行试验；根据LED驱动和光敏芯片性能的测试结果，调整芯片流片工艺条件或修改芯片电路和版图，最终获得符合项目要求的芯片。

（4）光耦产品制备

a.研究封装工艺，通过对光耦入出间红外光的高效传输性以及光敏集成电路芯片对封测要求的分析，研发专用封装、检测生产线，将光敏集成电路芯片、高通量GaAℓAs LED红外发光二极管，引线框架结构与专门研发的多芯片封装工艺整合为一体，实现高压高速大电流和VIORM 891V-2262V的工作绝缘电压，DIP8/SMD8/SOP8/SSOP8/15 mm SSOP8等多种封装形式的栅极驱动光电耦合器产业化。

b.分析光耦的光电性能，研究制定各项规定及控制参数的试验测试方法，建立产品光电参数的测试手段，完成批量测试工作。

项目研制目标及预期成果

项目通过国内领先50 MHz高速光电耦合器的设计技术和高速ADC技术，将高速光电耦合器的技术和高速ADC技术组合成一个隔离放大器，制定研制目标为国产QX7840光电耦合模拟隔离放大器，替代美国博通公司的光电耦合模拟隔离放大器产品HCPL-7840。项目完成后，申请专利（软件著作权）12项以上，其中，发明专利6项以上。提升本企业在隔离放大器研发及产业化方面的竞争力以及国内市场占有率。

QX7840主要性能达到：集成Σ∆ADC、编码及高速LED驱动芯片；集成高速光敏信号检测及解码混合集成电路芯片；多芯片DIP8/宽体SO8封装的高可靠性设计；高线性的差分输出电压；光耦高瞬态共模抑制技术。

QX7840主要技术指标实现：

（1）输入/输出电源电压VDD1/VDD2：4.5 V～5.5 V；

（2）输入失调电压VOS：-3.0～+3.0 mV；

（3）增益G：8.0 V/V；

（4）输入电压VIN+，VIN-：-200 mV～+200 mV；

（5）200 mV非线性NL200：0.4%；

（6）100 mV非线性NL100：0.2%；

（7）输出共模电压VOCM：2.5 V；

（8）工作温度：-40～+85℃；

（9）共模抑制CMR：15 kV/μs。