ELM4XXA系列固态继电器数据手册 - 4引脚SOP封装 - 400V/600V负载电压 - 120mA/50mA负载电流

1. 产品概述

ELM4XXA系列是一系列采用紧凑型4引脚小外形封装（SOP）的单通道、常开（1 Form A）固态继电器（SSR）。这些器件旨在替代空间受限应用中需要高可靠性、快速开关和低功耗的机电继电器（EMR）。其核心技术涉及一个AlGaAs红外LED，该LED光耦合至光伏二极管阵列，该阵列驱动输出MOSFET，从而在低压控制电路和高压负载电路之间提供电气隔离。

1.1 核心优势与目标市场

ELM4XXA系列的主要优势源于其固态结构。关键优点包括：静音运行、无触点弹跳、长使用寿命以及抗冲击和振动能力。较低的LED工作电流减轻了微控制器或逻辑门等控制电路的负担。该系列特别适用于微型化、高能效和高可靠性至关重要的现代电子设备。

目标应用：该继电器系列专为电信交换设备、测量和测试仪器、工厂自动化（FA）和办公自动化（OA）设备、工业控制系统以及安防系统而设计。

2. 深入技术参数分析

ELM4XXA系列的性能由一套全面的电气、光学和热参数定义。理解这些规格对于正确的电路设计和可靠运行至关重要。

2.1 绝对最大额定值

这些额定值定义了可能导致器件永久损坏的应力极限。不保证在这些条件下运行。

输入（LED侧）：最大正向电流（I_F）为50 mA DC。在脉冲条件下（100 Hz，占空比0.1%），允许1 A的峰值正向电流（I_FP）。最大反向电压（V_R）为5 V。
输出（MOSFET侧）：击穿电压（V_L）区分了两个主要型号：ELM440A为400 V，ELM460A为600 V。相应地，最大连续负载电流（I_L）对于400V版本为120 mA，对于600V版本为50 mA。允许在短时间内（单次100 ms）通过更高的脉冲负载电流。
隔离：该器件提供高达3750 V_rms（1分钟）的高隔离电压（V_iso），确保输入和输出之间的安全性和抗噪性。
热特性：工作环境温度范围为-40°C至+85°C。器件总功耗（P_T）不得超过550 mW。

2.2 光电特性

这些参数在T_A= 25°C下指定，定义了器件在正常条件下的运行行为。

输入特性：LED正向电压（V_F）在I_F= 10 mA时典型值为1.18V，最大值为1.5V。这种低V_F有助于降低功耗。
输出特性：一个关键参数是导通状态电阻（R_d(ON)）。对于ELM440A，典型值为20 Ω（最大30 Ω）；对于ELM460A，典型值为40 Ω（最大70 Ω）。该电阻直接影响继电器导通时的压降和功率损耗。关断状态漏电流（I_leak）保证小于1 μA，从而在继电器断开时最大限度地减少功率损耗。
传输特性：这些定义了输入和输出之间的关系。在最大负载下完全激活输出MOSFET所需的LED开启电流（I_F(on)）非常低，典型值为1 mA（最大5 mA）。LED关断电流（I_F(off)）是保证输出关断（I_L≤ 1 μA）的最大输入电流，典型值为0.6 mA。
开关速度：开启时间（T_on）和关断时间（T_off）均在亚毫秒范围内。在标准测试条件下（I_F=10mA，I_L=MAX，R_L=200Ω），T_on典型值为0.1 ms，T_off典型值为0.2 ms。这比大多数EMR快得多。

3. 性能曲线分析

数据手册提供了几幅图表，说明了关键参数如何随工作条件变化，这对于降额和稳健设计至关重要。

3.1 热降额

图1：负载电流与环境温度关系图显示了随着环境温度升高，最大连续负载电流所需的降额。ELM440A和ELM460A都必须从25°C时的额定值线性降低负载电流，直至在约100-120°C时降至零。该曲线对于确保器件总功耗（I_L²* R_d(ON)）在高温下不超过极限至关重要。

3.2 导通电阻与开关时间变化

图2：导通电阻与环境温度关系图表明R_d(ON)随温度升高而增加。对于ELM460A，R_d(ON)从25°C到100°C可增加超过50%。在高温下的压降计算中必须考虑这一点。

图3：开关时间与环境温度关系图表明T_on和T_off都随着温度降低而适度增加，特别是在0°C以下。在寒冷环境中运行的电路设计者必须考虑到开关速度会略微变慢。

3.3 输入/输出关系

图4和图5：开关时间与LED正向电流关系图表明增加LED驱动电流（I_F）可显著减少开启和关断时间。这使得设计者可以在开关速度和输入功耗之间进行权衡。用20-30 mA而不是10 mA驱动LED，可以将开关时间减少一半以上。

图6和图7：归一化LED工作电流与温度关系图揭示了使输出开启所需的I_F(on)随温度升高而降低，而使其关断的I_F(off)则增加。在裕量设计中必须考虑高温下工作窗口变窄的情况。

4. 机械与封装信息

4.1 引脚配置与原理图

该器件采用标准的4引脚SOP封装。

引脚1：LED阳极
引脚2：LED阴极
引脚3和4：MOSFET输出（源极和漏极连接；内部电路显示这些连接方式使器件成为一个SPST开关）。

原理图确认了架构：一个红外LED驱动光伏电池阵列，该阵列产生电压以偏置输出MOSFET的栅极，从而将其开启。

4.2 封装尺寸与标记

封装本体尺寸约为4.59mm x 3.81mm，高度为1.73mm（最大）。引脚间距为2.54mm。提供了推荐的PCB焊盘布局（焊盘图形），以确保可靠的焊接和机械稳定性。器件顶部标记有代码，指示制造商徽标、部件号（例如M440A）、制造年份/周，以及VDE认证版本的可选“V”标记。

5. 焊接与组装指南

该器件设计用于采用回流焊接工艺的表面贴装组装。焊接温度的绝对最大额定值为260°C，持续10秒。这与典型的无铅（Pb-free）回流焊曲线一致。设计者应遵循推荐的焊盘布局，以防止立碑现象并确保形成正确的焊点。该器件符合无卤素、无铅和RoHS指令，适用于注重环保的制造。

6. 订购信息与包装

部件号遵循以下结构：ELM4XXA(X)-VG。

4XXA：部件号核心（400V为440A，600V为460A）。
(X)：卷带包装选项。'TA'或'TB'表示不同的卷带规格。如果省略，则以100个/管的管装形式提供。
-V：可选后缀，表示该单元已通过VDE认证。
-G：表示符合无卤素要求。

标准SMD版本（管装）包含100个单元。卷带选项每卷包含3000个单元。

7. 应用建议与设计考量

7.1 典型应用场景

ELM4XXA非常适合切换中压、低电流信号或负载。示例包括：

在测试设备中隔离模拟或数字信号线。
在工业控制中切换加热元件或小型螺线管。
在电源或电机驱动器中提供隔离控制输入。
在安防面板中作为低压逻辑和较高电压外围电路之间的接口。

7.2 关键设计考量

输入驱动电路：必须始终与LED串联一个电阻以限制电流。其值计算为（电源电压 - V_F）/ 所需I_F。为确保可靠关断，控制电路应将LED阴极拉至非常接近阳极电压的电平，从而最大限度地减少可能意外开启输出的任何漏电流。
输出负载考量：该继电器设计用于直流负载切换。对于交流负载，需要额外的保护（如缓冲网络），并且电压额定值指的是峰值电压，而非RMS值。负载电流必须根据图1，基于预期的最高环境温度进行降额。导通状态下的功耗（I_L²* R_d(ON)）必须在工作温度下计算（使用图2中的R_d(ON)），以确保其不超过P_out.
。热管理：
虽然封装很小，但确保引脚周围（尤其是引脚3和4）有足够的PCB铜面积有助于散热，并提高电流处理能力和使用寿命。电压裕量：_L为了可靠的长期运行，施加在输出端的稳态电压（V

）应留有舒适的裕量低于额定击穿电压（400V或600V），特别是在存在电压瞬变的环境中。

8. 技术对比与差异化

与传统的机电继电器（EMR）相比，ELM4XXA提供了更长的预期寿命（数十亿次循环 vs. 数百万次）、更快的开关速度、静音运行以及更好的抗冲击/振动能力。与其他具有晶体管输出的SSR或光耦相比，其MOSFET输出提供了更低的导通电阻，并且可以以最小的失调电压切换交流和直流负载。4引脚SOP封装是此类电压和电流额定值的SSR中可用的最小封装之一，可显著节省空间。包含主要国际安全机构（UL、cUL、VDE等）的认证，简化了面向全球市场的终端产品认证。

9. 常见问题解答（基于技术参数）

9.1 该继电器能否切换交流负载？

输出MOSFET具有体二极管。在标准配置中，该器件主要用于直流负载切换。对于交流切换，可以将两个器件背对背连接（源极对源极），或者必须由外部电路管理双向电流。电压额定值适用于交流波形的峰值电压。

9.2 为何600V版本（ELM460A）的负载电流低于400V版本（ELM440A）？_{较高电压的MOSFET通常具有较高的比导通电阻（R}ds(on)_{* 面积）。为了适应相同的小型封装，额定600V的MOSFET芯片将具有更高的R}d(ON)²（40-70 Ω vs. 20-30 Ω）。对于给定的电流，600V部件的功耗（I

R）更高。为了将结温保持在安全限值内并保持可靠性，必须降低最大连续电流。

9.3 如何确保继电器完全关断？_{确保控制电路将流过输入LED的电流降低到最大I}F(off)

规格（典型值0.6 mA）以下。实际上，这意味着将LED阴极驱动到非常接近其阳极电压的电平，或者使用足够大的串联电阻，以将任何残余电压差限制在该阈值以下的电流。避免输入悬空。

10. 实际设计案例分析场景：

为工业控制器中最大环境温度为60°C的24V DC、80mA电磁阀设计一个低侧开关。控制信号来自微控制器的3.3V。器件选择：

选择ELM440A（400V额定值），因为其电流能力更高。24V负载完全在其电压额定值范围内。热降额：

根据图1，在60°C时，ELM440A可以处理其120mA额定值的大约90-95%。80mA约为额定值的67%，这是可以接受的。输入电路设计：_F假设V

= 1.2V。为了提供10mA的驱动电流以实现快速开关，串联电阻R = (3.3V - 1.2V) / 0.01A = 210 Ω。可以使用标准的200 Ω电阻。GPIO引脚可以直接提供此电流。输出分析：_{在60°C时，根据图2，R}d(ON)²约为22-23 Ω。功耗P = (0.08A)_{* 23Ω = 0.147W。这远低于P}out

额定值500mW。继电器上的压降 = 0.08A * 23Ω = 1.84V，为电磁阀留下22.16V。布局：

遵循推荐的焊盘布局，并将漏极/源极引脚（3和4）连接到较大的铜箔区域以帮助散热。

11. 工作原理

ELM4XXA基于光隔离原理工作。当向输入AlGaAs红外LED施加正向电流时，它会发光。该光被隔离输出侧的光伏二极管阵列检测到。该阵列产生足够高的开路电压，以完全增强构成输出开关的N沟道功率MOSFET的栅极。当移除LED电流时，光伏电压衰减，MOSFET栅极通过内部路径放电，从而关闭输出开关。这种机制在输入和输出电路之间提供了数千伏的电气隔离，保护敏感的控制电子设备免受负载侧高压瞬变的影响。

12. 技术趋势

LED规格术语详解

LED技术术语完整解释

一、光电性能核心指标

术语	单位/表示	通俗解释	为什么重要
光效（Luminous Efficacy）	lm/W（流明/瓦）	每瓦电能发出的光通量，越高越节能。	直接决定灯具的能效等级与电费成本。
光通量（Luminous Flux）	lm（流明）	光源发出的总光量，俗称"亮度"。	决定灯具够不够亮。
发光角度（Viewing Angle）	°（度），如120°	光强降至一半时的角度，决定光束宽窄。	影响光照范围与均匀度。
色温（CCT）	K（开尔文），如2700K/6500K	光的颜色冷暖，低值偏黄/暖，高值偏白/冷。	决定照明氛围与适用场景。
显色指数（CRI / Ra）	无单位，0–100	光源还原物体真实颜色的能力，Ra≥80为佳。	影响色彩真实性，用于商场、美术馆等高要求场所。
色容差（SDCM）	麦克亚当椭圆步数，如"5-step"	颜色一致性的量化指标，步数越小颜色越一致。	保证同一批灯具颜色无差异。
主波长（Dominant Wavelength）	nm（纳米），如620nm（红）	彩色LED颜色对应的波长值。	决定红、黄、绿等单色LED的色相。
光谱分布（Spectral Distribution）	波长 vs. 强度曲线	显示LED发出的光在各波长的强度分布。	影响显色性与颜色品质。

二、电气参数

术语	符号	通俗解释	设计注意事项
正向电压（Forward Voltage）	Vf	LED点亮所需的最小电压，类似"启动门槛"。	驱动电源电压需≥Vf，多个LED串联时电压累加。
正向电流（Forward Current）	If	使LED正常发光的电流值。	常采用恒流驱动，电流决定亮度与寿命。
最大脉冲电流（Pulse Current）	Ifp	短时间内可承受的峰值电流，用于调光或闪光。	脉冲宽度与占空比需严格控制，否则过热损坏。
反向电压（Reverse Voltage）	Vr	LED能承受的最大反向电压，超过则可能击穿。	电路中需防止反接或电压冲击。
热阻（Thermal Resistance）	Rth（°C/W）	热量从芯片传到焊点的阻力，值越低散热越好。	高热阻需更强散热设计，否则结温升高。
静电放电耐受（ESD Immunity）	V（HBM），如1000V	抗静电打击能力，值越高越不易被静电损坏。	生产中需做好防静电措施，尤其高灵敏度LED。

三、热管理与可靠性

术语	关键指标	通俗解释	影响
结温（Junction Temperature）	Tj（°C）	LED芯片内部的实际工作温度。	每降低10°C，寿命可能延长一倍；过高导致光衰、色漂移。
光衰（Lumen Depreciation）	L70 / L80（小时）	亮度降至初始值70%或80%所需时间。	直接定义LED的"使用寿命"。
流明维持率（Lumen Maintenance）	%（如70%）	使用一段时间后剩余亮度的百分比。	表征长期使用后的亮度保持能力。
色漂移（Color Shift）	Δu′v′ 或麦克亚当椭圆	使用过程中颜色的变化程度。	影响照明场景的颜色一致性。
热老化（Thermal Aging）	材料性能下降	因长期高温导致的封装材料劣化。	可能导致亮度下降、颜色变化或开路失效。

四、封装与材料

术语	常见类型	通俗解释	特点与应用
封装类型	EMC、PPA、陶瓷	保护芯片并提供光学、热学接口的外壳材料。	EMC耐热好、成本低；陶瓷散热优、寿命长。
芯片结构	正装、倒装（Flip Chip）	芯片电极布置方式。	倒装散热更好、光效更高，适用于高功率。
荧光粉涂层	YAG、硅酸盐、氮化物	覆盖在蓝光芯片上，部分转化为黄/红光，混合成白光。	不同荧光粉影响光效、色温与显色性。
透镜/光学设计	平面、微透镜、全反射	封装表面的光学结构，控制光线分布。	决定发光角度与配光曲线。

五、质量控制与分档

术语	分档内容	通俗解释	目的
光通量分档	代码如 2G、2H	按亮度高低分组，每组有最小/最大流明值。	确保同一批产品亮度一致。
电压分档	代码如 6W、6X	按正向电压范围分组。	便于驱动电源匹配，提高系统效率。
色区分档	5-step MacAdam椭圆	按颜色坐标分组，确保颜色落在极小范围内。	保证颜色一致性，避免同一灯具内颜色不均。
色温分档	2700K、3000K等	按色温分组，每组有对应的坐标范围。	满足不同场景的色温需求。

六、测试与认证

术语	标准/测试	通俗解释	意义
LM-80	流明维持测试	在恒温条件下长期点亮，记录亮度衰减数据。	用于推算LED寿命（结合TM-21）。
TM-21	寿命推演标准	基于LM-80数据推算实际使用条件下的寿命。	提供科学的寿命预测。
IESNA标准	照明工程学会标准	涵盖光学、电气、热学测试方法。	行业公认的测试依据。
RoHS / REACH	环保认证	确保产品不含有害物质（如铅、汞）。	进入国际市场的准入条件。
ENERGY STAR / DLC	能效认证	针对照明产品的能效与性能认证。	常用于政府采购、补贴项目，提升市场竞争力。

ELM4XXA系列固态继电器数据手册 - 4引脚SOP封装 - 400V/600V负载电压 - 120mA/50mA负载电流 - 中文技术文档

目录