CN203942693U - 具有印刷电路板隔离的光学隔离器和电路布置 - Google Patents

具有印刷电路板隔离的光学隔离器和电路布置 Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种光学隔离器和一种电路布置。所述光学隔离器包括印刷电路板，该印刷电路板具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。印刷电路板具有仅部分地贯穿印刷电路板的凹槽。第一光电元件具有有效表面，相对印刷电路板的第一表面进行安装。第二光电元件具有有效表面，相对第二表面进行安装。第二光电元件配置为与第一光电元件交互。第一和第二光电元件中的至少一个的有效表面至少部分地置于所述凹槽中。将印刷电路板的一部分夹在第一和第二光电元件之间。

Description

具有印刷电路板隔离的光学隔离器和电路布置
技术领域
本实用新型涉及具有印刷电路板隔离的光学隔离器和电路布置。 
背景技术
称作光隔离器、光耦合器、或光电耦合器的光学隔离器是使用电磁谱的不同频率在两个隔离电路之间传送电信号的电学布置。电路之间的隔离防止将在一个电路中引起或另外存在大电压或电流传送或耦合到另一电路中。典型的光学隔离器无法在电路之间传送可测量的功率，但可以在隔离电路之间传递信号。可以认识到，光学隔离器广泛用于需要隔离的多种电子器件中。 
采用光学隔离器的特定电子设备被称作为现场设备(field device)。工业过程控制和测量系统针对多种目的使用现场设备。通常，这种现场设备具有现场强化的外壳(enclosure)，使得可以安装在较为恶劣环境的户外，能够承受温度、湿度、振动和机械冲击的气候极限。现场设备典型地在相对低功率下进行操作。例如，一些现场设备当前可用于：从已知的操作在相对低电压(12-42VDC)下的4-20mA环路接收它们的所有操作功率。 
现场设备操作的环境有时可以是非常易燃的。一些环境可以是非常易燃的，μ焦耳范围内消耗能量的火星或甚至电子组件足够高的表面温度足以引起局部空气燃烧并演变为爆炸。将这些区域称作Hazardous、Classified或Ex区域。作为防止不期望燃烧的方法，固有安全规范发展为现场设备的受限能量和温度的措施。符合固有安全要求帮助确保即使在故障条件下，电路或设备本身无法引燃易燃的环境。 
能够用来符合固有安全标准的一种技术在于具有物理障碍的分隔组件。分隔量依赖于用于形成物理障碍的特定材料。如果障碍根据固有安全标准分隔，则光学隔离器可以用于在障碍上发送数据。 
发明内容
提供了一种光学隔离器。所述光学隔离器包括印刷电路板，该印刷电路板具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。印刷电路板具有仅部分地贯穿印刷电路板的凹槽。第一光电元件具有有效表面，并且相对印刷电路板的第一表面进行安装。第二光电元件具有有效表面，并且相对第二表面进行安装。第二光电元件配置为与第一光电元件交互。第一和第二光电元件中的至少一个的有效表面至少部分地位于所述凹槽中。印刷电路板的一部分夹在第一和第二光电元件之间。 
所述凹槽为圆形，并具有端面。 
所述端面与所述凹槽的侧壁成实质上直角。 
所述端面是平的。 
所述第一光电元件是光电发射器。 
所述光电发射器是发光二极管。 
所述发光二极管是IR发光二极管。 
所述光电发射器至少部分地置于所述凹槽中。 
所述光电发射器具有置于所述凹槽中的穹顶。 
所述第二光电元件是光电检测器。 
所述光电检测器是PIN二极管。 
所述光电检测器由不透明覆层覆盖。 
夹在所述第一光电元件和第二光电元件之间的印刷电路板部分是针对光耦合器的固有安全规范的最小间隔。 
所述最小间隔是至少0.2mm。 
所述印刷电路板具有多个含铜层，其中所有这种含铜层中的铜与所述凹槽相距至少最小间隔距离。 
所述光学隔离器嵌入在现场设备中。 
提供了一种电路布置，包括：印刷电路板，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述印刷电路板具有：第一凹槽，仅部分地贯穿印刷电路板；以及第二凹槽，与第一凹槽隔开，也部分地贯穿印刷电路板；第一光电发射器，安装在接近第一凹槽的第一表面上，并 具有至少部分地置于第一凹槽中的有效表面；第一光电检测器，安装在接近第一凹槽的第二表面上，通过夹在所述第一光电检测器与所述第一光电发射器之间的印刷电路板部分将所述第一光电检测器与所述第一光电发射器隔开；第二光电检测器，安装在接近第二凹槽的第一表面上，以及；第二光电发射器，安装在接近第二凹槽的第二表面上，具有至少部分地置于第二凹槽中的有效表面，通过夹在所述第二光电检测器与所述第二光电发射器之间的印刷电路板部分将所述第二光电检测器与所述第二光电发射器隔开。 
所述电路布置包括：在第一光电发射器和印刷电路板之间的半透明填充介质，以减少衰减。 
所述电路布置包括：印刷电路板中接近第一凹槽和第二凹槽、针对脱离预期传输路径的信号的特定电磁谱的层，以提供该信号的衰减。 
所述电路布置包括：第一凹槽中对特定电磁谱不透明的中空柱状结构。 
所述印刷电路板包括多个电路层，其中多个电路层单独彼此隔离。 
附图说明
图1是根据本实用新型实施例的一对光耦合器的图示。 
图2是示出了根据本实用新型实施例的用于针对光耦合器在印刷电路板中产生精确间隔的优选布置的图示。 
图3是指示相邻光耦合器之间串扰的电势的一对光耦合器的图不。 
具体实施方式
根据本实用新型的实施例，光电发射器和光电检测器(例如IR光电二极管)在印刷电路板的相对侧上间隔开。印刷电路板的一部分物理分隔光电发射器和光电检测器。光电发射器和光电检测器使用印刷电路板本身作为固体绝缘进行操作以形成光耦合器。如果光电发射器和光电检测器不是紧密耦合的组件，例如，单个集成电路(IC)封 装，则无需考虑用于组件保护的60079-11要求。将印刷电路板材料本身用作组件之间所需的必然间隔。因此，消除了保护组件的需要，从而减少了组件数量、大空间需求和成本。此外，部分10.11中规定的许多其它测试不再可应用，所以还显著地减少了测试工作。 
图1是根据本实用新型实施例的一对光耦合器的图示。光耦合器100由布置在印刷电路板106的相对侧的光电发射器102和光电检测器104形成。图1所示实施例中，光电发射器102是具有半球形部分108的红外光电二极管，该半球形部分108容纳在印刷电路板106的孔110中。备选地，该实施例中，光电检测器104是PIN二极管。应将这种布置理解为示出了一对协作的光电元件，其中至少一个光电元件(在这种情况下，光电发射器)具有至少部分置于印刷电路板106凹槽中的有效表面。根据本实用新型的一个实施例，孔或凹槽110止于表面112，优选地凹槽110的侧壁与表面112成近似90度。表面112与印刷电路板106的表面114间隔至少0.2mm，0.2mm是对固体材料的最低要求以便符合针对300V的60079-11附录F。光电检测器104安装在邻近表面114，使得光电检测器104检测到从光电发射器102发射的并穿过表面112的光线。这样，发射器102和检测器104协作以形成光耦合器。可以认识到，光电发射器102和光电检测器104的布置提供单方向的信号通信(从光电发射器到光电检测器)。因此，为了在印刷电路板106上提供双向通信，提供第二光耦合器121，其中该第二光耦合器121实质上是光耦合器100的相反物。具体地，光耦合器121包括延伸到印刷电路板106内的孔或凹槽118中的光发射器116。凹槽118终止于表面120，其中表面120与印刷电路板106的表面122间隔最小固体绝缘尺寸(0.2mm)。一个实施例中，将光电检测器124安装在邻近表面122，使得光电检测器124检测到穿过表面120的光。因此，光电发射器116和光电检测器124包括第二光耦合器，第二光耦合器与第一光耦合器100协作，提供通过印刷电路板106的双向通信。 
图1示出了具有六个不同铜层126、128、130、132、134和136的印刷电路板106，这些铜层由印刷电路板(PCB)材料119分离， 根据60079-11附录F，该铜层与凹槽110、118保持(held back)或另外间隔最小固体材料间隔。具体地，在图1所示实施例中，间隔最小为0.2mm。光电发射器102伸到凹槽110中，使得光电发射器102的穹顶108接近表面112。这种接近提高了光耦合器100的信噪比，允许减小总体功率。尽管通常将本实用新型实施例描述为将光电发射器的一部分置于印刷电路板的凹槽中，然而明确认识到，取而代之可以将光电检测器置于凹槽中，或将光电发射器和光电检测器都置于凹槽中。然而，在所有这种配置中，将至少一个有效表面(光电发射器的穹顶或光电检测器的检测接口)置于印刷电路板的凹槽内。 
当正确对准时，光电检测器从位于与其直接相对的光电发射器接收信号。在一个实施例中，光电检测器具有与光电发射器穹顶的中心对准的有效表面(例如，穹顶108)。 
图2是产生凹槽110、118的优选方法的图示。通常，用钻头(drillbit)产生孔，例如，产生锥形端表面154的具有锥形端152的钻头150。然而，锥形端表面154实际上将弯曲或另外折射穿过该界面的电磁谱。因此，扩散了电磁信号156，衰减了光电检测器管芯158的电响应。在优选实施例中，采用平底钻头160。钻头160具有实质上平坦的端部162。这使得孔164具有与孔164的侧壁近似成直角的端部166。平坦表面166确保穿过这部分空气到达电路板界面的信号保持其初始方向，不发生折射或不另外受影响。这样，信号168直接到达光电检测器管芯170，相较于光电检测器管芯158具有较大响应。在其它示例配置中，钻头具有凹形端。 
根据本实用新型实施例可以采用若干方法来减小由于印刷电路板材料和其他因素引起的信号衰减。具体地，可以在考虑制造容限的前提下，保留满足间隔需求的足够材料同时，移除印刷电路板材料。此外，可以针对信号强度和光散射方式来选择光电发射器和光电检测器组件。此外，可以忽略光学组件的有效表面之间的焊接掩膜(solder mask)。最终，如上参考图2所述，可以采用用于产生沉孔(counter bore)的平头钻头。这些多种设计考虑中的任何一个或所有进行协作以提供由多个分立组件形成的光耦合器，该光耦合器在保持小型印刷电路板 封装覆盖面积(footprint)的同时完全有效地符合固有安全规范。 
可以认识到，如果没有仔细抑制不想要的或寄生的信号，则使用分立组件形成邻近光耦合器以便穿过印刷电路板提供隔离的双向通信将在所述光耦合器之间产生串扰。存在可能出现串扰的两个主要方式。图3示出了这两个主要串扰通道。如虚线180所示第一串扰通道沿电路板表面。在这种情况下，来自光电发射器102的红外辐射能够沿着电路板表面122直接到达光电检测器124。可以通过增加光电发射器102和光电检测器124之间的间隔来减小这种第一形式的串扰。然而，由于增加这些组件之间的间隔并非令人期待，这是因为会消耗宝贵的印刷电路板空间。更受欢迎的解决方案是在光电检测器124上添加不透明的覆层，使得光电检测器124不能接收串扰照射180。这种不透明的覆层的优选形式是在光电检测器124周围和/或光电检测器124上提供不透明的灌封(potting)。不透明的灌封具有消除光电检测器124上的环境光的作用的有利方面。示例材料包括环氧树脂或硅树脂RTV。 
附图标记182示出了图3所示的串扰的第二通道。具体地，通过在印刷电路板106材料内穿过的红外照射产生这种串扰通道。可以通过将铜层126、128、130、132、134、136更接近地放置在一起以便当光线穿过电路板时令光更快速地漫射，来减少这种串扰。此外，将铜层更接近地放置在光电发射器凹槽减少了远离光电检测器散射的信号量。这样减少了穿透铜层的开口的尺寸，由此阻挡了串扰通道182。此外，可以对凹槽的内壁进行处理，以辅助从光电发射器到光电检测器的信号传输，和/或减少串扰。例如，可以在发射器的穹顶周围插入套筒(sleeve)或可以对凹槽本身镀膜或另外用材料进行处理，以便辅助信号传输。 
本实用新型的实施例总体上提供了一种超紧凑光耦合器布置，可以容易地满足现场设备和其他电子器件的固有安全规范。相信根据本实用新型实施例的光耦合器可以提供125kHz的信号耦合，有可能高达250kHz。 
本实用新型的实施例可以用于期望光耦合器的任何电子设备。然 而，本实用新型实施例特别有用于必须符合固有安全规范(例如，如上所述)的现场设备。 
尽管参考优选实施例描述了本实用新型，然而本技术领域工作人员将认识到可以在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，进行形式和细节上的多种改变。以上讨论涉及光学组件之间0.2mm的固体分隔。尽管这种配置明确涉及在固有安全区域与非固有安全区域之间提供隔离，然而本实用新型不限于这种配置。相同的隔离距离可以用于固有安全部分之间的相互隔离。类似地，根据隔离需求和设计限制，分隔量可以大于或小于0.2mm。本实用新型可应用于任何频率的电磁辐射，包括可见光、红外和紫外辐射。半透明的填充介质可以应用于光电发射器和印刷电路板之间以便减少由于不同介质层之间的折射和反射而引起的衰减。 

Claims (21)

1.一种光学隔离器，包括：
印刷电路板，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述印刷电路板具有仅部分地贯穿印刷电路板的凹槽；
第一光电元件，具有有效表面，所述第一光电元件相对印刷电路板的第一表面安装；
第二光电元件，具有有效表面，所述第二光电元件相对第二表面安装，并配置为与第一光电元件交互；以及
其中第一和第二光电元件中的至少一个的有效表面至少部分地置于所述凹槽中，并且印刷电路板的一部分夹在所述第一光电元件和所述第二光电元件之间。
2.根据权利要求1所述的光学隔离器，其中所述凹槽为圆形，并具有端面。
3.根据权利要求2所述的光学隔离器，其中所述端面与所述凹槽的侧壁成实质上直角。
4.根据权利要求2所述的光学隔离器，其中所述端面是平的。
5.根据权利要求1所述的光学隔离器，其中所述第一光电元件是光电发射器。
6.根据权利要求5所述的光学隔离器，其中所述光电发射器是发光二极管。
7.根据权利要求6所述的光学隔离器，其中所述发光二极管是IR发光二极管。
8.根据权利要求5所述的光学隔离器，其中所述光电发射器至少部分地置于所述凹槽中。
9.根据权利要求8所述的光学隔离器，其中所述光电发射器具有置于所述凹槽中的穹顶。
10.根据权利要求1所述的光学隔离器，其中所述第二光电元件是光电检测器。
11.根据权利要求10所述的光学隔离器，其中所述光电检测器是PIN二极管。
12.根据权利要求10所述的光学隔离器，其中所述光电检测器由不透明覆层覆盖。
13.根据权利要求1所述的光学隔离器，其中夹在所述第一光电元件和第二光电元件之间的印刷电路板部分是针对光耦合器的固有安全规范的最小间隔。
14.根据权利要求13所述的光学隔离器，其中所述最小间隔是至少0.2mm。
15.根据权利要求13所述的光学隔离器，其中所述印刷电路板具有多个含铜层，其中所有这种含铜层中的铜与所述凹槽相距至少最小间隔距离。
16.根据权利要求1所述的光学隔离器，其中所述光学隔离器嵌入在现场设备中。
17.一种电路布置，包括：
印刷电路板，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述印刷电路板具有：第一凹槽，仅部分地贯穿印刷电路板；以及第二凹槽，与第一凹槽隔开，也部分地贯穿印刷电路板；
第一光电发射器，安装在接近第一凹槽的第一表面上，并具有至少部分地置于第一凹槽中的有效表面；
第一光电检测器，安装在接近第一凹槽的第二表面上，通过夹在所述第一光电检测器与所述第一光电发射器之间的印刷电路板部分将所述第一光电检测器与所述第一光电发射器隔开；
第二光电检测器，安装在接近第二凹槽的第一表面上，以及；
第二光电发射器，安装在接近第二凹槽的第二表面上，具有至少部分地置于第二凹槽中的有效表面，通过夹在所述第二光电检测器与所述第二光电发射器之间的印刷电路板部分将所述第二光电检测器与所述第二光电发射器隔开。
18.根据权利要求17所述的电路布置，包括：在第一光电发射器和印刷电路板之间的半透明填充介质，以减少衰减。
19.根据权利要求17所述的电路布置，包括：印刷电路板中接近第一凹槽和第二凹槽、针对脱离预期传输路径的信号的特定电磁谱的层，以提供该信号的衰减。
20.根据权利要求17所述的电路布置，包括：第一凹槽中对特定电磁谱不透明的中空柱状结构。
21.根据权利要求17所述的电路布置，其中所述印刷电路板包括多个电路层，其中多个电路层单独彼此隔离。
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