光耦的工作原理 光耦的CTR概念 光耦的傳遞時(shí)延

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，我們常常會(huì)面對(duì)一個(gè)多“地”系統(tǒng)，而不同“地”回路之間又往往需要電信號(hào)交互，比如隔離電源原副邊之間，全橋、半橋等拓?fù)渲械摹吧瞎堋彬?qū)動(dòng)回路與功率回路之間。這就需要采用隔離的方式進(jìn)行電信號(hào)傳遞了。

目前來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目中一般采用兩種方式進(jìn)行隔離，一是磁隔離，很多電源中都會(huì)采用“驅(qū)動(dòng)變壓器”來(lái)驅(qū)動(dòng)“上管”，這樣就不需要多設(shè)計(jì)一個(gè)輔助電源輸出來(lái)給“上管”作為驅(qū)動(dòng)電源了；二是光電隔離，也就是用得很普遍的光耦了，副邊給原邊電源管理芯片反饋輸出電壓、電流信號(hào)時(shí)一般都是使用光耦。但光耦是如何工作的，有哪些特性呢？

本文將對(duì)這三個(gè)方面做詳細(xì)討論——光耦的工作原理、光耦的CTR概念以及光耦的傳遞時(shí)延。

光耦的工作原理

以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖1）來(lái)說(shuō)明光耦的工作：原邊輸入電壓Vin，使流過(guò)光耦原邊的發(fā)光二極管為If，發(fā)光二極管在電流If的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出一定的光強(qiáng)照射到副邊光敏三極管的基極，產(chǎn)生基極電流使得三極管ce間流過(guò)電流Ic，Ic流過(guò)R2產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)Vout。這就達(dá)到了隔離傳遞信號(hào)的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)是CTR（電流傳輸比）。

圖1

光耦可作為兩種用途：線性光耦和邏輯光耦。

工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的光耦，其副邊三極管飽和導(dǎo)通，管壓降很小（約<0.4V），此時(shí)輸出Vout 約等于 VCC（VCC-0.4V），亦即Vout僅受VCC影響，此時(shí) Ic

工作在線性狀態(tài)的光耦，Ic=If×CTR，副邊三極管壓降的大小等于 Vcc-Ic×R2，Vout= Ic×R2=(Vin-Vd)/R1×CTR×R2，Vout大小直接與 Vin 成比例，一般用于隔離電源的反饋環(huán)路中 (Vd為發(fā)光二極管的壓降，下同)。

光耦的CTR

2．1光耦的可靠導(dǎo)通計(jì)算

CTR為電流傳輸比，在原邊與副邊的電流在一定范圍內(nèi)不限大小，CTR=Ic/If。所以對(duì)于圖1，計(jì)算副邊電流Ic的公式就有兩個(gè)了，即

(Vce為三極管集電極與發(fā)射極之間的壓降)

這兩個(gè)計(jì)算公式，（1）用來(lái)設(shè)計(jì)線性傳輸時(shí)使用；（2）用來(lái)設(shè)計(jì)邏輯狀態(tài)傳輸時(shí)使用，此式計(jì)算得到的Ic也是副邊可流過(guò)的最大電流，此時(shí)Vce約為0.4V。

同時(shí)，我們也可以用這兩個(gè)公式來(lái)分析一個(gè)光耦電路是用來(lái)做線性傳輸還是邏輯開(kāi)關(guān)傳輸。下面舉例分析一下。

如圖2所示參數(shù)，光耦CTR為50%，發(fā)光二極管的壓降為1.6V，三極管飽和狀態(tài)時(shí)Vce為0.4V。

原邊電流:If=（Vin-1.6V）/R1=3.4mA

用（1）式計(jì)算副邊電流：Ic=If×CTR=1.7mA

用（2）式計(jì)算副邊電流: Ic=(VCC-0.4)/R2=1.45mA

所以通過(guò)CTR計(jì)算得到的電流大于副邊可流過(guò)的最大電流，也就是三極管飽和狀態(tài)的電流，以此可知此電路為邏輯傳輸。

那么要保證該電路一直工作在線性狀態(tài)，輸入電壓Vin范圍如何？根據(jù)光耦邏輯電路設(shè)計(jì)條件Ic1.45mA，計(jì)算的Vin>4.5V，且應(yīng)小于Vd，1.6V。即Vin<1.6V或Vin>4.5V。當(dāng)然在實(shí)際項(xiàng)目中，Vin不能無(wú)限大，還需考慮光耦原邊能承受的最大電流以及限流電阻R1的最大功耗等因素。同時(shí)，也不是高電平取個(gè)4.6V就可以，因?yàn)楣怦頒TR容易受到影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要留有一定的裕量。

如果有一天光耦壞了，現(xiàn)在手上只有一個(gè)CTR為20%的光耦，能換上去使用嗎？答案是不可以也是可以，為啥呢？分析一下， If×20%=0.68mA

圖2

2.2、光耦受那些因素影響

前面提到由于光耦的CTR容易受影響發(fā)生改變，設(shè)計(jì)時(shí)需要一定的裕量，那么它主要是受那些因素的影響呢？

A、光耦本身：世上沒(méi)有兩片相同的葉子，同一批量出廠的光耦CTR也會(huì)有一定范圍的波動(dòng)。但可靠的品牌一般不會(huì)有太大的差值。

B、溫度：以常用的EL871A為例，Ta=25℃條件下的 CTR 下限確定了，但往往產(chǎn)品會(huì)工作在溫度范圍比較大的環(huán)境里，比如光耦會(huì)工作在（-40~100℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 EL871A的手冊(cè)：有 Ta-CTR 關(guān)系圖：

從圖中可以看出，以Ta=25℃（IF=5mA）為基準(zhǔn)，溫度往高溫方向走，CTR越來(lái)越小，100℃時(shí)，CTR僅為25℃時(shí)的68%；往低溫方向走，CTR先變大再減小，整體呈現(xiàn)非線性變化，溫度約為-18℃時(shí)，CTR最大值為25℃時(shí)的106%，，所以設(shè)計(jì)時(shí)，工程師需要考慮產(chǎn)品工作范圍內(nèi)的CTR的上下限值。

C、受IF影響。從上圖（Ta-CTR 關(guān)系圖）也可看出在不同IF時(shí)，CTR也不同。下圖是EL871A的手冊(cè)中的IF-CTR圖，可以更直觀地看出IF與CTR的關(guān)系。

3、光耦時(shí)延

幾乎所有有輸入輸出的IC都會(huì)有傳輸信號(hào)延時(shí)的問(wèn)題，光耦也不例外，但是不知道為啥EL871A的手冊(cè)居然沒(méi)有給出延時(shí)的參數(shù)（差評(píng)），只給了上升沿和下降沿的時(shí)間，長(zhǎng)達(dá)18us，可能是廠商覺(jué)得這個(gè)光耦比較低端，僅上下沿的時(shí)長(zhǎng)就達(dá)18us,在討論傳輸延時(shí)就沒(méi)啥意義了。

但是延時(shí)特性是光耦一般都要考慮的特性，特別在傳輸高速信號(hào)的應(yīng)用中，比如光耦6N135可傳輸1Mbit/s的高速信號(hào)，它的手冊(cè)就給出了傳輸延時(shí)的參數(shù)。

下圖給一個(gè)實(shí)測(cè)的延時(shí)波形讓大伙感受感受（ch4 原邊（紅），ch2 副邊（綠））