대체 절연 방식의 출현에도 불구하고 고속 옵토커플러는 여전히 인기 있는 기술이다. 포토트랜지스터 옵토커플러는 40년 이상 사용돼 왔다. IMS 리서치에 따르면, 고속 옵토커플러(게이트 드라이버 옵토커플러 포함) 시장은 2009년부터 2016년까지 매년 14.5%의 성장률을 기록할 것으로 예상된다. 매출 수익은 이미 포토트랜지스터의 매출 수익을 넘어섰다.

글 | 조이스 패트릭 (Joyce Patrick), 지역 마케팅 담당
     로버트 크라우제 (Robert Krause), 애플리케이션 엔지니어
     옵토커플러 제품 사업부
     페어차일드 반도체

오늘날 옵토커플러 고객들은 효율 향상, 동작 온도 범위 확대, 고장의 최소화를 위해 노력하고 있다. 또한 그들은 향상된 설계 마진을 원하고 있다. 이것은 더 나은 규격을 의미한다. 예를 들어, 고객들은 낮은 편차와 지정된 최대/최소 전류전달비(Current Transfer Ratio, CTR)를 원하고 있다. 이러한 CRT 범위는 특수한 테스트 조건 하에서 CTRce를 측정하는 빈 테스트(bin test)를 통해 보장된다. 또한 고객들은 상대적으로 낮은 전류 수준에서 동작할 수 있는 옵토커플러를 원하고 있다. 따라서 옵토커플러 업체들은 옵토커플러가 고온 조건에서 어떻게 동작하는지 명시해야 한다.
예를 들어, 광원은 낮은 전류 조건에서 덜 효율적이다. 고객이 피드백 루프 부품으로서 자신의 절연 DC-DC 컨버터에 FOD817과 같은 전통적인 포토트랜지스터 옵토커플러를 사용하고 있다고 가정해 보자. 수년 동안 설계 요구는 포토트랜지스터 옵토커플러를 통해 흐르는 전류를 감소시켜왔다. 포토트랜지스터 옵토커플러가 비록 동작을 할지라도, FOD817과 같은 포토트랜지스터 옵토커플러들은 보다 낮은 LED 전류 조건에서 사용할 수 없다. 이러한 문제는 FOD8801 OptoHiT 시리즈로 해결이 됐다. 이 제품군은 최소 1 mA의 LED 전류 조건과 전체 온도에 대해 보장된 특성을 제공한다.
고객의 요구에 부응하기 위해 페어차일드 반도체는 AlGaAs라고 하는 재료를 이용해 다양한 형태의 IR LED(infrared Light Emitting Diode)를 구현해 왔다. AlGaAs IR LED는 향상된 속도, 개선된 온도 성능, 일관성을 제공하며 상대적으로 낮은 전류 조건에서도 대부분의 포토트랜지스터 옵토커플러에서 일반적으로 사용되고 있는 GaAs IR LED보다 효율적이다. 또한 페어차일드는 심지어 하프 피치 미니-플랫 패키지(Mini-Flat Package, MFP)와 같은 소형 패키지에서도 면대면(face to face) 패키지 구조보다 ~30%의 입력 대 출력 커패시턴스(CIO)를 제공하는 OPTO
PLANAR 코플래너 패키징 기술을 활용하고 있다(그림 1). 0.4 mm의 내부 절연 두께는 높은 수준의 절연 특성을 제공한다. 결과적으로 설계자들은 패키지 크기를 줄이기 위해 격리/절연 특성을 희생시킬 필요가 없다.

기술적 요구의 충족
페어차일드의 신형 OptoHiT 시리즈는 고온 및 초저 입력 전류 조건(IF=1mA)에서 일그러짐이 없는 우수한 CTR을 제공함으로써 고객 요구사항을 충족시킨다. 보다 효율적인 AlGaAs IR LED를 사용함으로써 이러한 온도 성능을 달성할 수 있다. FODM8801은 실리콘 포토트랜지스터와 광학적으로 결합된 AlGaAs IR LED로 구성된다. 이 디바이스는 설계 유연성을 향상시키기 위해 확장된 동작 온도 범위(-40~125 ℃)에 대해 동작 및 스위칭 규격의 포화와 불포화 모드를 위한 보장되거나 ‘binned’ CTR을 제공한다. FODM8801은 확장 온도 범위에서도 보다 안정적이기 때문에, 최악 조건 설계를 할 경우에 CTR 변동과 성능 저하에 대한 우려를 덜어준다.
FODM8801은 페어차일드 반도체의 OPTOPLANAR 코플래너(coplanar) 패키징 기술을 활용하여 높은 동작 온도 조건에서 높은 잡음 내성과 신뢰할 수 있는 절연 특성을 달성할 수 있다.
FODM8801은 콤팩트한 하프-피치 미니-플랫 4핀 패키지(길이 4.4 mm, 넓이 2.5 mm, 리드 피치 1.27 mm)로 제공되며, 보드 공간을 절약하고 보다 많은 설계 유연성을 제공하여 전체 시스템 비용을 절감할 수 있다. 또한 신뢰성 증대를 위해 높은 절연 전압(VISO=3750 V) 특성을 제공하며, 전기 및 전자 제품에 유해물질 사용을 제한하는 RoHS 기준을 준수한다. OptoHiT 시리즈는 전원공급장치, 스마트 계량기, 모터 제어 등과 같은 산업용 애플리케이션은 물론, 충전기와 어댑터를 포함한 소비가전 애플리케이션에 적합하다.

기술적 과제들
개발자들은 옵토커플러 디바이스와 관련하여 고온, 신뢰성, 비용 절감 등의 기술적 과제에 직면해 있다.
많은 엔지니어들이 애플리케이션의 전체 수명주기 동안 LED의 성능 저하에 대해 질문한다. LED 성능 저하는 LED 효율이 계속해서 감소하는 것을 의미한다. LED 성능 저하는 시간, 온도, LED 순방향 전류의 크기에 따라 좌우되며 CTR을 감소시킨다. LED가 낮은 전류 조건에서 동작할 경우, 장기적인 성능 저하는 최소화된다. 낮은 LED 동작 전류 조건에서 동작 온도의 상승이 단기적인 LED 효율에 가장 큰 영향을 미친다. 접합 온도는 LED 효율에 영향을 미치는 지배적인 요소이다.




낮은 전류 조건(IF < 5 mA)에서의 성능 저하가 1,000시간 당 0.1%로 측정된 장기적인 CTR 변환에 대해 관심을 가지는 대신에, 온도 변화로 인해 수 분 이내에 50%의 변화가 일어날 수 있다는 것을 고려해야 한다. 예를 들어, 주변 온도가 50 ℃까지 상승할 경우에 FOD817의 CTR은 최대 50%까지 감소할 수 있다. 이러한 주변 온도의 증가는 최소 5분 이내에 발생할 수 있다. 주변 온도가 이것의 최초 시작 온도로 회복될 경우에 CTR이 원래의 값으로 복구되기 때문에, 이에 대한 영향이 종종 간과된다. 대부분의 데이터 시트는 주변 온도 동작 조건만을 지정하고 있다.
포토트랜지스터 속도는 LED가 생성한 광전류, 트랜지스터 이득 전류(hfe), 부하 조건 등에 의해 결정된다. LED 플럭스가 낮아지면 타이밍이 변화한다. 설계가 낮은 전류 조건에서 전체 온도 범위에 대해 양호하게 동작하면 장기적인 변화는 최소화될 것이다.
좋은 소식은 FODM8801, FODM453, HCPL4503 등과 같은 페어차일드의 최신형 포토트랜지스터 옵토커플러가 대부분의 상용 옵토커플러 제품에 사용되고 있는 표준 GaAs LED보다 한층 더 향상된 성능을 제공하는 AlGaAs IR LED를 사용한다는 것이다. 그림 2는 AlGaAs 880 nm IR LED와 표준 GaAs 840 nm IR LED의 중요한 차이를 설명하고 있다. 이 그래프는 일반적인 데이터이지 보증되는 것은 아니라는 점에 주의하자. 1 mA의 LED 전류 조건에서 동작할 경우에, AlGaAs IR LED의 광 출력은 0.225%/℃ 정도 낮아진다. 이것은 접합 온도가 50 ℃ 변화할 경우에 LED의 출력은 단지 11%만 감소한다는 것을 의미한다. 접합 온도가 50 ℃ 상승하면, 동일한 LED 전류(IF=1 mA)를 통해 동작하는 GaAs LED는 일반적으로 이것의 광 출력의 50%(-1%/℃)를 잃게 된다. AlGaAs LED는 일반적으로 4:1의 공정 편차(process variation)를 갖는 구형 저효율 GaAs LED보다 효율적일 뿐만 아니라(2~3배 이상 효율적임), 4.5배 이상의 온도에 안정적이다. 요점은 바로 여러분이 보다 낮은 전류 및 온도 조건에서 LED를 동작시키면 LED 수명을 연장할 수 있다는 것이다.
페어차일드는 데이터 시트에 포함돼 있는 옵토커플러의 성능에 대한 규격을 향상시키기 위해 노력하고 있다. FODM8801의 경우, 각기 다른 3가지 CTR 범위를 지정했다. 이들은 동일한 최소 비율 대 최대 비율을 갖지만 서로 겹쳐진다. 페어차일드는 동일한 LED를 사용하지만, 트랜지스터 이득(hfe)이 각기 다른 CTR 빈(bin)을 제공하는 것을 목표로 했다. 이를 통해 이득이 대역폭보다 중요한 경우에 보다 신속하고 높은 이득 부품으로 전환할 수 있도록 상대적으로 낮은 이득의 부품을 선택할 수 있도록 해준다.
고객이 보다 높은 정밀도/허용공차를 요구할 경우, CRT를 보장하는 제품을 고려하기를 원할 수도 있다. 기본적으로 공장은 LED를 사전 선택하여 피드백을 제공하는 증폭기를 구축하기 때문에, LED와 커플링의 편차만이 존재하게 된다. 예를 들어, 고속 옵토커플러인 FOD8012의 경우에 CMOS IC로 포토트랜지스터를 대체함으로써 편차가 제거된다.

새로운 시장
표준 옵토커플러의 변화뿐만 아니라, 고객들이 표준 600 V 이상의 절연 보호 기능을 요구하고 있는 모터와 태양광 애플리케이션에서 사용할 수 있는 고속/게이트 드라이버 옵토커플러 시장이 새롭게 형성되고 있다. 페어차일드의 게이트 드라이버 옵토커플러는 1414 V의 동작 전압(UIORM)과 5000 V의 절연 전압(VISO)을 제공한다.
포토트랜지스터 옵토커플러는 40년 이상 사용돼 왔으며 여전히 인기를 구가하고 있다. 앞서 강조한 개선사항(예를 들어, CTR, 선형성, 확장 온도 범위, 낮은 입력 구동 전류 등)은 설계 편의성을 향상시키고 설계자들이 최악 조건 설계를 할 수 있도록 제품을 보다 간편화시킨다.