嵌入式工程師必備技能_關(guān)于嵌入式系統(tǒng)中的光電隔離設(shè)計(jì)技巧

由于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中存在著許多不小的瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會(huì)影響到數(shù)據(jù)的傳輸，甚至傷害互連的設(shè)備，為了能夠在高速現(xiàn)場(chǎng)總線通信得到無錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須要對(duì)這些干擾進(jìn)行處理，通常會(huì)使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性并保護(hù)互連設(shè)備。

什么是光電隔離器？
光電隔離器（Optoelectronic Isolator，簡(jiǎn)稱OC）也稱光電耦合器、光耦合器，簡(jiǎn)稱光耦。光耦合技術(shù)是在透明絕緣隔離層（例如空氣間隙）上的光傳輸，完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出隔離的作用。是應(yīng)用最為廣泛的隔離方式。
光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長(zhǎng)的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。

由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長(zhǎng)線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

光電隔離器的特點(diǎn)：
光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。光耦合器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器（SSR）、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。光電隔離電路圖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1（光電隔離電路圖）

最為常用的光電隔離電路如圖2所示，應(yīng)用最為普遍的光電耦合器如東芝TLP521等都可以使用此電路，電路的輸入端使用一個(gè)限流電阻，輸出端使用一個(gè)分壓電阻，當(dāng)左側(cè)輸入端輸出高電平點(diǎn)亮LED，右側(cè)接收到光信號(hào)后電阻變小，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平，如果要使輸入輸出端電平狀態(tài)一致，可以將左側(cè)改為灌電流輸入的方式或者將右側(cè)分壓電阻接地連接。此電路還可以用于電平的轉(zhuǎn)換，LED發(fā)射端通過限流電阻的配合可以承受比較寬的電壓范圍，因此可以實(shí)現(xiàn)不同的工作電壓電平轉(zhuǎn)換，這種形式經(jīng)常應(yīng)用于一些開關(guān)量控制或讀取的電路中。

圖2（常見的光耦隔離電路結(jié)構(gòu)）

由于很多功率驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)常需要進(jìn)行電氣隔離，因此將驅(qū)動(dòng)電路與光電耦合器結(jié)合就成為具備功率驅(qū)動(dòng)功能的光耦，如東芝公司的TLP250，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所圖3如示。光耦采用8腳DIP封裝，有一個(gè)光耦和一個(gè)推挽輸出電路組成，最大可以輸出1.5A電路，可以直接驅(qū)動(dòng)IGBT、MOSFET等功率器件，極大方便了電路的設(shè)計(jì)，類似的產(chǎn)品還有安捷倫公司的HCPL-3120具備最大2.5A的輸出電流。

圖3（TLP250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）

普通的光電耦合器由于完成光電轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，只適合在通信速率要求不高的情況下使用，如上文介紹的TLP521，在串口應(yīng)用中9600以下的波特率還能夠正常工作，再高的波特率就無法使用，因此在需要對(duì)高速信號(hào)進(jìn)行隔離的場(chǎng)合需要使用針對(duì)高速隔離設(shè)計(jì)的高速光耦，6N137光耦合器是最常見的用于單通道隔離的高速光耦合器，其內(nèi)部由一個(gè)850 nm波長(zhǎng)AlGaAs LED和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd），5mA的極小輸入電流，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10Mbps非常適合用于各種高速通信接口等高速數(shù)字信號(hào)的隔離。與6N137類似的還有HCPL-2601/2611，雙通道的HCPL-2630/2631等。其封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4（光耦封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖）

總結(jié)：由于光電隔離具有成本低、使用靈活等優(yōu)勢(shì)，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用，很多情況下仍然是隔離方式的首選。