三個(gè)方面對(duì)光耦做討論,光耦參數(shù)的理解

光耦參數(shù)的理解

引言

光耦作為一個(gè)隔離器件已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，無處不在。一般大家在初次接觸到光耦時(shí)往往感到無從下手，不知設(shè)計(jì)對(duì)與錯(cuò)，隨著遇到越來越多的問題，才會(huì)慢慢有所體會(huì)。

本文就三個(gè)方面對(duì)光耦做討論：光耦工作原理；光耦的 CTR 概念；光耦的延時(shí)。本討論也有認(rèn)識(shí)上的局限性，但希望能幫助到初次使用光耦的同事。

1 理解光耦

光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號(hào)，副邊回路就會(huì)輸出經(jīng)過隔離的信號(hào)。對(duì)于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。

以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號(hào) Vin，施加到原邊的發(fā)光二極管和 Ri 上產(chǎn)生光耦的輸入電流 If，If 驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使得副邊的光敏三極管導(dǎo)通，回路VCC、RL 產(chǎn)生 Ic,Ic 經(jīng)過 R L 產(chǎn)生 Vout，達(dá)到傳遞信號(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），要滿足 Ic≤If*CTR。

光耦一般會(huì)有兩個(gè)用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？

工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦副邊三極管飽和導(dǎo)通，管壓降<0.4V，Vout 約等于 Vcc（Vcc-0.4V左右），Vout 大小只受 Vcc 大小影響。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*R L ，Vout= Ic*R L=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*R L ，Vout 大小直接與 Vin 成比例，一般用于反饋環(huán)路里面 (1.6V 是粗略估計(jì)，實(shí)際要按器件資料，后續(xù) 1.6V 同) 。

對(duì)于光耦開關(guān)和線性狀態(tài)可以類比為普通三極管的飽和放大兩個(gè)狀態(tài)。

所以通過分析實(shí)際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來分析光耦是一個(gè)很有效的方法。此方法對(duì)于后續(xù)分析光耦的 CTR 參數(shù)，還有延遲參數(shù)都有助于理解。

2 光耦 CTR

概要：1)對(duì)于工作在線性狀態(tài)的光耦要根據(jù)實(shí)際情況分析；2)對(duì)于工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦要保證光耦導(dǎo)通時(shí) CTR 有一定余量；3)CTR 受多個(gè)因素影響。

2.1 光耦能否可靠導(dǎo)通實(shí)際計(jì)算

舉例分析，例如圖.1 中的光耦電路，假設(shè) Ri = 1k,Ro = 1k,光耦 CTR= 50%，光耦導(dǎo)通時(shí)假設(shè)二極管壓降為 1.6V，副邊三極管飽和導(dǎo)通壓降 Vce=0.4V。輸入信號(hào) Vi 是 5V 的方波，輸出 Vcc 是 3.3V。Vout 能得到 3.3V 的方波嗎？

我們來算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA

副邊的電流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA

假設(shè)副邊要飽和導(dǎo)通，那么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導(dǎo)通時(shí)，Ic 會(huì)被光耦限制到 1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V

所以副邊得到的是 1.7V 的方波。

為什么得不到 3.3V 的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅(qū)動(dòng)能力小，只能驅(qū)動(dòng)1.7mA 的電流，所以光耦會(huì)增大副邊三極管的導(dǎo)通壓降來限制副邊的電流到 1.7mA。

解決措施：增大 If；增大 CTR；減小 Ic。對(duì)應(yīng)措施為：減小 Ri 阻值；更換大 CTR 光耦；增大 Ro 阻值。

將上述參數(shù)稍加優(yōu)化，假設(shè)增大 Ri 到 200 歐姆，其他一切條件都不變，Vout 能得到 3.3V的方波嗎？

重新計(jì)算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副邊電流限制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA，遠(yuǎn)

大于副邊飽和導(dǎo)通需要的電流(2.9mA)，所以實(shí)際 Ic = 2.9mA。

所以，更改 Ri 后，Vout 輸出 3.3V 的方波。

開關(guān)狀態(tài)的光耦，實(shí)際計(jì)算時(shí)，一般將電路能正常工作需要的最大 Ic 與原邊能提供的最小 If 之間 Ic/If 的比值與光耦的 CTR 參數(shù)做比較，如果 Ic/If ≤CTR，說明光耦能可靠導(dǎo)通。一般會(huì)預(yù)留一點(diǎn)余量（建議小于 CTR 的 90%）。

工作在線性狀態(tài)令當(dāng)別論。

2.2 CTR 受那些因素影響

上一節(jié)說到設(shè)計(jì)時(shí)要保證一定 CTR 余量。就是因?yàn)?CTR 的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導(dǎo)致 CTR 只離散的因素（不同光耦），又有與 CTR 有一致性的參數(shù)（殼溫/If）。

1)光耦本身：以 8701 為例，CTR 在 Ta=25℃/If=16mA 時(shí)，范圍是(15%~35%)

說明 8701 這個(gè)型號(hào)的光耦，不論何時(shí)/何地，任何批次里的一個(gè)樣品，只要在 Ta=25℃/If=16mA 這個(gè)條件下，CTR 是一個(gè)確定的值，都能確定在 15%~35%以內(nèi)。 計(jì)算導(dǎo)通時(shí)，要以下限進(jìn)行計(jì)算，并且保證有余量。計(jì)算關(guān)斷時(shí)要以上限。

2)殼溫影響：

Ta=25℃條件下的 CTR 下限確定了，但往往產(chǎn)品里面溫度范圍比較大，比如光耦會(huì)工作在（-5~75℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊(cè)：有 Ta-CTR 關(guān)系圖：

從圖中看出，以 25 度的為基準(zhǔn)，在其他條件不變的情況下，-5 度下的 CTR 是 25 度下的 0.9 倍左右，75 度下最小與 25 度下的 CTR 持平。

所以在 16mA/(-5~75℃)條件下，8701 的 CTR 最小值是 15%*0.9 = 13.5%

3) 受 If 影響。

假設(shè)如果實(shí)際的 If 是 3.4mA，那么如何確定 CTR 在 If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)條件下的最小 CTR 值。

查看 8701 的 If-CTR 曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個(gè)樣品做測(cè)試得到的If-CTR 曲線，實(shí)際只需要一個(gè)樣品的曲線即可。

注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個(gè)曲線，其實(shí)不然。大部分圖表曲線只是一個(gè)相對(duì)關(guān)系圖，不能圖中讀出絕對(duì)的參數(shù)值。

計(jì)算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時(shí) CTR 大概 28%，在 If=3.4mA時(shí) CTR 大概在 46%。3.4mA 是 16mA 時(shí)的 46%/28% = 1.64 倍；

所以，在 If=3.4mA / (-5~75℃)，CTR 下限為 13.5% * 1.64 = 22.2%

以上所有分析都是基于 8701 的，其他光耦的特性曲線需要查用戶手冊(cè)，分析方法一樣。

3 光耦延時(shí)

上述 CTR 影響到信號(hào)能不能傳過去的問題，類似于直流特性。下面主要分析光耦的延時(shí)特性，即光耦能傳送多快信號(hào)。

涉 及到 兩個(gè)參 數(shù)： 光耦導(dǎo)通延時(shí) t plh 和 光耦關(guān)斷 延時(shí) t phl ，以 8701 為例 ：在If=16mA/Ic=2mA 時(shí)候，關(guān)斷延時(shí)最大 0.8uS，導(dǎo)通延時(shí)最大 1.2uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開關(guān)信號(hào)就需要不能滿足。

下圖是一個(gè)實(shí)測(cè)的延時(shí)波形（ch4 原邊（紅），ch2 副邊（綠））

對(duì)于 t p 參數(shù)的設(shè)計(jì)更應(yīng)該考慮余量，因?yàn)?t p 參數(shù)也受其他因素影響較多。

1) 受溫度影響

8701 的 Ta-If 特征曲線：溫度升高，開關(guān)延時(shí)都會(huì)增大。

2) 受原邊 If 大小影響

8701 的 tp-If 特征曲線：If 增大，關(guān)斷延時(shí)減小，開通延時(shí)增大

3) 受副邊 Ic 大小影響

8701 的 tp-R L 特征曲線：R L 減小，導(dǎo)通延時(shí)增大明顯

針對(duì)具體電路的特點(diǎn)，計(jì)算最大延時(shí)時(shí)也是采用與 CTR 一樣的方法，通過器件資料給定特定環(huán)境下的準(zhǔn)確范圍，然后逐一通過三個(gè)曲線確定具體電路下的光耦最大延時(shí)。

注：同一個(gè)型號(hào)的光耦 CTR/延時(shí)特性是一致的，不同光耦的延時(shí)特性不盡相同，所以需要根據(jù)所用光耦的用戶手冊(cè)來確定。