具有印刷電路板隔離的光學隔離器和電路布置的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種光學隔離器和一種電路布置。所述光學隔離器包括印刷電路板，該印刷電路板具有第一表面和與第一表面相對的第二表面。印刷電路板具有僅部分地貫穿印刷電路板的凹槽。第一光電元件具有有效表面，相對印刷電路板的第一表面進行安裝。第二光電元件具有有效表面，相對第二表面進行安裝。第二光電元件配置為與第一光電元件交互。第一和第二光電元件中的至少一個的有效表面至少部分地置于所述凹槽中。將印刷電路板的一部分夾在第一和第二光電元件之間。
【專利說明】具有印刷電路板隔離的光學隔離器和電路布置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及具有印刷電路板隔離的光學隔離器和電路布置。

【背景技術(shù)】
[0002]稱作光隔離器、光耦合器、或光電耦合器的光學隔離器是使用電磁譜的不同頻率在兩個隔離電路之間傳送電信號的電學布置。電路之間的隔離防止將在一個電路中引起或另外存在大電壓或電流傳送或耦合到另一電路中。典型的光學隔離器無法在電路之間傳送可測量的功率，但可以在隔離電路之間傳遞信號。可以認識到，光學隔離器廣泛用于需要隔離的多種電子器件中。
[0003]采用光學隔離器的特定電子設(shè)備被稱作為現(xiàn)場設(shè)備(field device) 0工業(yè)過程控制和測量系統(tǒng)針對多種目的使用現(xiàn)場設(shè)備。通常，這種現(xiàn)場設(shè)備具有現(xiàn)場強化的外殼(enclosure)，使得可以安裝在較為惡劣環(huán)境的戶外，能夠承受溫度、濕度、振動和機械沖擊的氣候極限?，F(xiàn)場設(shè)備典型地在相對低功率下進行操作。例如，一些現(xiàn)場設(shè)備當前可用于:從已知的操作在相對低電壓(12-42VDC)下的4-20mA環(huán)路接收它們的所有操作功率。
[0004]現(xiàn)場設(shè)備操作的環(huán)境有時可以是非常易燃的。一些環(huán)境可以是非常易燃的，μ焦耳范圍內(nèi)消耗能量的火星或甚至電子組件足夠高的表面溫度足以引起局部空氣燃燒并演變?yōu)楸?。將這些區(qū)域稱作Hazardous、Classified或Ex區(qū)域。作為防止不期望燃燒的方法，固有安全規(guī)范發(fā)展為現(xiàn)場設(shè)備的受限能量和溫度的措施。符合固有安全要求幫助確保即使在故障條件下，電路或設(shè)備本身無法引燃易燃的環(huán)境。
[0005]能夠用來符合固有安全標準的一種技術(shù)在于具有物理障礙的分隔組件。分隔量依賴于用于形成物理障礙的特定材料。如果障礙根據(jù)固有安全標準分隔，則光學隔離器可以用于在障礙上發(fā)送數(shù)據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]提供了一種光學隔離器。所述光學隔離器包括印刷電路板，該印刷電路板具有第一表面和與第一表面相對的第二表面。印刷電路板具有僅部分地貫穿印刷電路板的凹槽。第一光電兀件具有有效表面，并且相對印刷電路板的第一表面進行安裝。第二光電兀件具有有效表面，并且相對第二表面進行安裝。第二光電兀件配置為與第一光電兀件交互。第一和第二光電元件中的至少一個的有效表面至少部分地位于所述凹槽中。印刷電路板的一部分夾在第一和第二光電元件之間。
[0007]所述凹槽為圓形，并具有端面。
[0008]所述端面與所述凹槽的側(cè)壁成實質(zhì)上直角。
[0009]所述端面是平的。
[0010]所述第一光電兀件是光電發(fā)射器。
[0011]所述光電發(fā)射器是發(fā)光二極管。
[0012]所述發(fā)光二極管是IR發(fā)光二極管。
[0013]所述光電發(fā)射器至少部分地置于所述凹槽中。
[0014]所述光電發(fā)射器具有置于所述凹槽中的穹頂。
[0015]所述第二光電元件是光電檢測器。
[0016]所述光電檢測器是PIN 二極管。
[0017]所述光電檢測器由不透明覆層覆蓋。
[0018]夾在所述第一光電元件和第二光電元件之間的印刷電路板部分是針對光耦合器的固有安全規(guī)范的最小間隔。
[0019]所述最小間隔是至少0.2mm。
[0020]所述印刷電路板具有多個含銅層，其中所有這種含銅層中的銅與所述凹槽相距至少最小間隔距離。
[0021 ] 所述光學隔離器嵌入在現(xiàn)場設(shè)備中。
[0022]提供了一種電路布置，包括:印刷電路板，具有第一表面和與第一表面相對的第二表面，所述印刷電路板具有:第一凹槽，僅部分地貫穿印刷電路板；以及第二凹槽，與第一凹槽隔開，也部分地貫穿印刷電路板；第一光電發(fā)射器，安裝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；第一光電檢測器，安裝在接近第一凹槽的第二表面上，通過夾在所述第一光電檢測器與所述第一光電發(fā)射器之間的印刷電路板部分將所述第一光電檢測器與所述第一光電發(fā)射器隔開；第二光電檢測器，安裝在接近第二凹槽的第一表面上，以及；第二光電發(fā)射器，安裝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，通過夾在所述第二光電檢測器與所述第二光電發(fā)射器之間的印刷電路板部分將所述第二光電檢測器與所述第二光電發(fā)射器隔開。
[0023]所述電路布置包括:在第一光電發(fā)射器和印刷電路板之間的半透明填充介質(zhì)，以減少衰減。
[0024]所述電路布置包括:印刷電路板中接近第一凹槽和第二凹槽、針對脫離預期傳輸路徑的信號的特定電磁譜的層，以提供該信號的衰減。
[0025]所述電路布置包括:第一凹槽中對特定電磁譜不透明的中空柱狀結(jié)構(gòu)。
[0026]所述印刷電路板包括多個電路層，其中多個電路層單獨彼此隔離。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是根據(jù)本實用新型實施例的一對光耦合器的圖示。
[0028]圖2是示出了根據(jù)本實用新型實施例的用于針對光耦合器在印刷電路板中產(chǎn)生精確間隔的優(yōu)選布置的圖示。
[0029]圖3是指示相鄰光耦合器之間串擾的電勢的一對光耦合器的圖不。

【具體實施方式】
[0030]根據(jù)本實用新型的實施例，光電發(fā)射器和光電檢測器(例如IR光電二極管)在印刷電路板的相對側(cè)上間隔開。印刷電路板的一部分物理分隔光電發(fā)射器和光電檢測器。光電發(fā)射器和光電檢測器使用印刷電路板本身作為固體絕緣進行操作以形成光耦合器。如果光電發(fā)射器和光電檢測器不是緊密耦合的組件，例如，單個集成電路(IC)封裝，則無需考慮用于組件保護的60079-11要求。將印刷電路板材料本身用作組件之間所需的必然間隔。因此，消除了保護組件的需要，從而減少了組件數(shù)量、大空間需求和成本。此外，部分10.11中規(guī)定的許多其它測試不再可應用，所以還顯著地減少了測試工作。
[0031]圖1是根據(jù)本實用新型實施例的一對光耦合器的圖示。光耦合器100由布置在印刷電路板106的相對側(cè)的光電發(fā)射器102和光電檢測器104形成。圖1所不實施例中，光電發(fā)射器102是具有半球形部分108的紅外光電二極管，該半球形部分108容納在印刷電路板106的孔110中。備選地，該實施例中，光電檢測器104是PIN 二極管。應將這種布置理解為示出了一對協(xié)作的光電元件，其中至少一個光電元件(在這種情況下，光電發(fā)射器)具有至少部分置于印刷電路板106凹槽中的有效表面。根據(jù)本實用新型的一個實施例，孔或凹槽110止于表面112，優(yōu)選地凹槽110的側(cè)壁與表面112成近似90度。表面112與印刷電路板106的表面114間隔至少0.2mm, 0.2mm是對固體材料的最低要求以便符合針對300V的60079-11附錄F。光電檢測器104安裝在鄰近表面114，使得光電檢測器104檢測到從光電發(fā)射器102發(fā)射的并穿過表面112的光線。這樣，發(fā)射器102和檢測器104協(xié)作以形成光耦合器?？梢哉J識到，光電發(fā)射器102和光電檢測器104的布置提供單方向的信號通信(從光電發(fā)射器到光電檢測器)。因此，為了在印刷電路板106上提供雙向通信，提供第二光稱合器121,其中該第二光稱合器121實質(zhì)上是光稱合器100的相反物。具體地，光率禹合器121包括延伸到印刷電路板106內(nèi)的孔或凹槽118中的光發(fā)射器116。凹槽118終止于表面120，其中表面120與印刷電路板106的表面122間隔最小固體絕緣尺寸(0.2mm)。一個實施例中，將光電檢測器124安裝在鄰近表面122，使得光電檢測器124檢測到穿過表面120的光。因此,光電發(fā)射器116和光電檢測器124包括第二光稱合器,第二光稱合器與第一光耦合器100協(xié)作，提供通過印刷電路板106的雙向通信。
[0032]圖1示出了具有六個不同銅層126、128、130、132、134和136的印刷電路板106，這些銅層由印刷電路板(PCB)材料119分離，根據(jù)60079-11附錄F，該銅層與凹槽110、118保持(held back)或另外間隔最小固體材料間隔。具體地，在圖1所不實施例中，間隔最小為0.2mm。光電發(fā)射器102伸到凹槽110中，使得光電發(fā)射器102的穹頂108接近表面112。這種接近提高了光耦合器100的信噪比，允許減小總體功率。盡管通常將本實用新型實施例描述為將光電發(fā)射器的一部分置于印刷電路板的凹槽中，然而明確認識到，取而代之可以將光電檢測器置于凹槽中，或?qū)⒐怆姲l(fā)射器和光電檢測器都置于凹槽中。然而，在所有這種配置中，將至少一個有效表面(光電發(fā)射器的穹頂或光電檢測器的檢測接口)置于印刷電路板的凹槽內(nèi)。
[0033]當正確對準時，光電檢測器從位于與其直接相對的光電發(fā)射器接收信號。在一個實施例中，光電檢測器具有與光電發(fā)射器穹頂?shù)闹行膶实挠行П砻?例如，穹頂108)。
[0034]圖2是產(chǎn)生凹槽110、118的優(yōu)選方法的圖示。通常，用鉆頭(drillbit)產(chǎn)生孔，例如，產(chǎn)生錐形端表面154的具有錐形端152的鉆頭150。然而，錐形端表面154實際上將彎曲或另外折射穿過該界面的電磁譜。因此，擴散了電磁信號156，衰減了光電檢測器管芯158的電響應。在優(yōu)選實施例中，采用平底鉆頭160。鉆頭160具有實質(zhì)上平坦的端部162。這使得孔164具有與孔164的側(cè)壁近似成直角的端部166。平坦表面166確保穿過這部分空氣到達電路板界面的信號保持其初始方向，不發(fā)生折射或不另外受影響。這樣，信號168直接到達光電檢測器管芯170，相較于光電檢測器管芯158具有較大響應。在其它示例配置中，鉆頭具有凹形端。
[0035]根據(jù)本實用新型實施例可以采用若干方法來減小由于印刷電路板材料和其他因素引起的信號衰減。具體地，可以在考慮制造容限的前提下，保留滿足間隔需求的足夠材料同時，移除印刷電路板材料。此外，可以針對信號強度和光散射方式來選擇光電發(fā)射器和光電檢測器組件。此外，可以忽略光學組件的有效表面之間的焊接掩膜(solder mask)。最終，如上參考圖2所述，可以采用用于產(chǎn)生沉孔(counter bore)的平頭鉆頭。這些多種設(shè)計考慮中的任何一個或所有進行協(xié)作以提供由多個分立組件形成的光耦合器，該光耦合器在保持小型印刷電路板封裝覆蓋面積(footprint)的同時完全有效地符合固有安全規(guī)范。
[0036]可以認識到，如果沒有仔細抑制不想要的或寄生的信號，則使用分立組件形成鄰近光耦合器以便穿過印刷電路板提供隔離的雙向通信將在所述光耦合器之間產(chǎn)生串擾。存在可能出現(xiàn)串擾的兩個主要方式。圖3示出了這兩個主要串擾通道。如虛線180所示第一串擾通道沿電路板表面。在這種情況下，來自光電發(fā)射器102的紅外輻射能夠沿著電路板表面122直接到達光電檢測器124?？梢酝ㄟ^增加光電發(fā)射器102和光電檢測器124之間的間隔來減小這種第一形式的串擾。然而，由于增加這些組件之間的間隔并非令人期待，這是因為會消耗寶貴的印刷電路板空間。更受歡迎的解決方案是在光電檢測器124上添加不透明的覆層，使得光電檢測器124不能接收串擾照射180。這種不透明的覆層的優(yōu)選形式是在光電檢測器124周圍和/或光電檢測器124上提供不透明的灌封(potting)。不透明的灌封具有消除光電檢測器124上的環(huán)境光的作用的有利方面。示例材料包括環(huán)氧樹脂或硅樹脂RTV。
[0037]附圖標記182示出了圖3所示的串擾的第二通道。具體地，通過在印刷電路板106材料內(nèi)穿過的紅外照射產(chǎn)生這種串擾通道?？梢酝ㄟ^將銅層126、128、130、132、134、136更接近地放置在一起以便當光線穿過電路板時令光更快速地漫射，來減少這種串擾。此外，將銅層更接近地放置在光電發(fā)射器凹槽減少了遠離光電檢測器散射的信號量。這樣減少了穿透銅層的開口的尺寸，由此阻擋了串擾通道182。此外，可以對凹槽的內(nèi)壁進行處理，以輔助從光電發(fā)射器到光電檢測器的信號傳輸，和/或減少串擾。例如，可以在發(fā)射器的穹頂周圍插入套筒(sleeve)或可以對凹槽本身鍍膜或另外用材料進行處理，以便輔助信號傳輸。
[0038]本實用新型的實施例總體上提供了一種超緊湊光耦合器布置，可以容易地滿足現(xiàn)場設(shè)備和其他電子器件的固有安全規(guī)范。相信根據(jù)本實用新型實施例的光耦合器可以提供125kHz的信號耦合，有可能高達250kHz。
[0039]本實用新型的實施例可以用于期望光耦合器的任何電子設(shè)備。然而，本實用新型實施例特別有用于必須符合固有安全規(guī)范(例如，如上所述)的現(xiàn)場設(shè)備。
[0040]盡管參考優(yōu)選實施例描述了本實用新型，然而本【技術(shù)領(lǐng)域】工作人員將認識到可以在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，進行形式和細節(jié)上的多種改變。以上討論涉及光學組件之間0.2mm的固體分隔。盡管這種配置明確涉及在固有安全區(qū)域與非固有安全區(qū)域之間提供隔離，然而本實用新型不限于這種配置。相同的隔離距離可以用于固有安全部分之間的相互隔離。類似地，根據(jù)隔離需求和設(shè)計限制，分隔量可以大于或小于0.2_。本實用新型可應用于任何頻率的電磁輻射，包括可見光、紅外和紫外輻射。半透明的填充介質(zhì)可以應用于光電發(fā)射器和印刷電路板之間以便減少由于不同介質(zhì)層之間的折射和反射而引起的衰減。
【權(quán)利要求】
1.一種光學隔離器，包括: 印刷電路板，具有第一表面和與第一表面相對的第二表面，所述印刷電路板具有僅部分地貫穿印刷電路板的凹槽； 第一光電兀件，具有有效表面，所述第一光電兀件相對印刷電路板的第一表面安裝； 第二光電兀件，具有有效表面，所述第二光電兀件相對第二表面安裝，并配置為與第一光電元件交互；以及 其中第一和第二光電元件中的至少一個的有效表面至少部分地置于所述凹槽中，并且印刷電路板的一部分夾在所述第一光電元件和所述第二光電元件之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學隔離器，其中所述凹槽為圓形，并具有端面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學隔離器，其中所述端面與所述凹槽的側(cè)壁成實質(zhì)上直角。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學隔離器，其中所述端面是平的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學隔離器，其中所述第一光電元件是光電發(fā)射器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學隔離器，其中所述光電發(fā)射器是發(fā)光二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學隔離器，其中所述發(fā)光二極管是IR發(fā)光二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學隔離器，其中所述光電發(fā)射器至少部分地置于所述凹槽中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學隔離器，其中所述光電發(fā)射器具有置于所述凹槽中的穹頂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學隔離器，其中所述第二光電元件是光電檢測器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學隔離器，其中所述光電檢測器是PIN二極管。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學隔離器，其中所述光電檢測器由不透明覆層覆蓋。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學隔離器，其中夾在所述第一光電元件和第二光電元件之間的印刷電路板部分是針對光耦合器的固有安全規(guī)范的最小間隔。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學隔離器，其中所述最小間隔是至少0.2mm。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學隔離器，其中所述印刷電路板具有多個含銅層，其中所有這種含銅層中的銅與所述凹槽相距至少最小間隔距離。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學隔離器，其中所述光學隔離器嵌入在現(xiàn)場設(shè)備中。
17.—種電路布置,包括: 印刷電路板，具有第一表面和與第一表面相對的第二表面，所述印刷電路板具有:第一凹槽，僅部分地貫穿印刷電路板；以及第二凹槽，與第一凹槽隔開，也部分地貫穿印刷電路板； 第一光電發(fā)射器，安裝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； 第一光電檢測器，安裝在接近第一凹槽的第二表面上，通過夾在所述第一光電檢測器與所述第一光電發(fā)射器之間的印刷電路板部分將所述第一光電檢測器與所述第一光電發(fā)射器隔開； 第二光電檢測器，安裝在接近第二凹槽的第一表面上，以及； 第二光電發(fā)射器，安裝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，通過夾在所述第二光電檢測器與所述第二光電發(fā)射器之間的印刷電路板部分將所述第二光電檢測器與所述第二光電發(fā)射器隔開。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，包括:在第一光電發(fā)射器和印刷電路板之間的半透明填充介質(zhì)，以減少衰減。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，包括:印刷電路板中接近第一凹槽和第二凹槽、針對脫離預期傳輸路徑的信號的特定電磁譜的層，以提供該信號的衰減。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，包括:第一凹槽中對特定電磁譜不透明的中空柱狀結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電路布置，其中所述印刷電路板包括多個電路層，其中多個電路層單獨彼此隔離。
【文檔編號】G02B6/26GK203942693SQ201420198652
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】科爾克·阿蘭·亨特, 賈里德·詹姆斯·德雷爾, 喬丹·丹尼斯·盧赫特, 塞繆爾·伊?！っ沸两? 申請人:羅斯蒙特公司