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1、光耦隔离（驱动）电路（V1.0）一、 本文件的内容及适用范围本文详细分析了非线性光耦的结构、重要参数，并以此为依据讲解了光耦的应用设计原则及隔离（驱动）电路的设计步骤与方法，最后对单片集成数字隔离器做了简单介绍。适用于作为艾诺公司开发工程师新项目硬件开发过程、产品设计修改过程、产品问题分析过程、工程师培训的指导性模块与参考文件。本文中的“光耦”指非线性光耦。本文中的过程与方法不能完全应用于线性光耦。二、 光耦 光电耦合器optical coupler/optocoupler,简称光耦。是设计上输入与输出之间用来电气隔离并消除干扰的器件。因线性光耦特有其特点及设计方法，本文在此仅单独讨论在公司产
2、品上广泛应用非线性光耦。2.1 光耦在公司仪表上的主要应用根据光耦的类型在公司仪表上主要有以下几个方面的应用：1、 数字信号隔离：非线性光耦，如6N137对高速数字信号如SPI、UART等接口的隔离。2、 模拟信号隔离传递：线性光耦。隔离&驱动：普通输出型，如TLP521对IO信号的隔离；达林顿输出型主要用于需要大驱动电流的场合，如继电器的驱动和隔离。 2.2 公司主要应用的主要非线性光耦类别、型号及参数特点主要类别：1、 通用型：TLP521、PC817等。2、 数字逻辑输出型（高速、带输出控制脚）：6N137及其变种HCPL06系列等。3、 达林顿输出型：4N30、4N33等。4、 推挽输
3、出型（MOS、IGBT驱动专用）：TLP250、HCPL316等 艾诺公司截止到2010年12月常用光耦型号统计及分类见表格艾诺光耦201012.XLS。2.4 光耦基础知识 1、光耦结构及原理示意 光耦的主要构成部分：LED（电-光）、光电管（光-电）、电流放大（Hfe）部分。 非线性光耦按输出结构分为：普通型、达林顿输出型（高电流传输比，带不带基极引脚）、逻辑输出型（高速或有控制端）、专用型（内部带推挽，如MOS/IGBT驱动光耦）、双向光耦（LED部分为两个发光管反向并联，可响应交流信号）。光耦内部结构示意图图1，光耦一般原理图图2，光耦原理示意图图3，带基极引脚的光耦原理示意图图4，达
4、林顿输出型（不带基极引脚）示意图图5，达林顿输出型（带基极引脚）示意图图6，输出带控制的光耦示意图图7，IGBT/MOS专用光耦（内部带推挽）图8，双向光耦（在公司应用极少，本文未包括相关内容）2、光耦的主要参数简介（1） VISO（或BVS）isolation voltage隔离电压：输入端与输出端之间可以承受的交流电压最大值。一般情况下，只在有限的测试时间内有保证（如1分钟）。（2) Topr ,operating temmprature工作温度：器件正常工作所允许的温度范围。是指环境温度。当温度上升，器件带载（承受功耗）能力下降。TPL521的工作温度范围是环境温度-55+100度。（3
5、） IF，Forward Current of LED，发光管能够允许的正向电流最大值，二极管流过电流不超过If时，在环温25度下，保证不会因为功耗而损坏。TLP521-1的LED正向电流允许最大值为70mA。（4） VR，reverse voltage of LED，发光管所能承受的最大反向电压。超过此电压，发光管会有突然增大的反向电流且无法发光，会导致光耦损坏或无法恢复的规格下降发生。（5） PD(C/T)，power dissipation,环温25度时，光耦所能允许的最大功耗。环温温度上升，此值下降(derating)。TLP521在25度环温时允许的最大功耗为0.25W。（6） VC
6、EO, collector to emitter voltage of phototransistor当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大C-E电压。（7） VECO ，emitter to collector voltage of phototransistor当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大E-C电压。如，TLP521的VECO仅7V，CEO为55V。瞬间的过压降会导致器件参数不可恢复的规格下降，或者损坏。（8） IC，collector current of phototransistor,光电管在环温25度时集电极能够流过的电流的最大值。它能够保证光电管工作于PC以
7、下。如，TLP521的集电极电流值限制为50mA（max）。（9） CTR，Current Transfer Ratio，电流传输比。当VCE固定，光电管Ic与If之比。CTR = (IC /IF) X 100% （10）RS，isolation resistance,初次级绝缘电阻。如，TLP521测试500V绝缘（在小于60%湿度环境下），绝缘电阻大于10G欧。Cs ， isolation capcitance，绝缘电容，高频信号加到器件上时，输入输出之间的等效电容。由于此电容的存在，当存在强烈干扰或者输入、输出的电位高速变化时，光耦引脚上可能会出现意料不到的干扰信号。（11） VF ，f
8、orward voltage of LED,发光管流过正向电流时产生的压降，VF和IF构成发光管的功耗。一般温度一定时，IF越大，VF越大。IF一定时，环温越高，VF越低。（12） IR，Reverse current of LED,发光管承受一定反压时流过发光管的反向电流。一般反压越大，环温越高，此电流越大。（13） CT，teminal capacitance of LED，发光管两端寄生电容。当高速应用时，光耦关断瞬间此电容上积累的电荷如不能被快速放掉的话，会有少量电流持续通过了发光管放电，从而导致关断被延迟。（14） ICEO，发光管上没有流过电流时（未发光），光电管上的漏电流，俗称暗
9、电流。一般，CE结承受电压越大此电流越大。环温上升会导致此电流变大。（15）Vce(sat)，光电管饱和压降。开关特性参数，主要包括开启时间、关断时间等三、 光耦隔离（驱动）电路光耦隔离（驱动）电路是指使用光耦器件实现隔离（如隔离SPI数字总线）、隔离&驱动（如驱动继电器、发光体等）的硬件电路。3.1 隔离/驱动电路的类别 1、数字总线隔离。如使用6N137实现SPI、UART等隔离。 2、普通IO数字信号隔离。如使用TLP521实现测量板与主控板间普通IO信号的隔离。 3、隔离&驱动。如使用4N33实现主控板与继电器（开关量）板的隔离以及继电器的驱动。3.2 各类别控制电路的主要器件 1、串
10、行数字总线隔离：光耦、如需要增加晶体管。 2、普通IO数字信号隔离：光耦。 3、隔离&驱动：光耦、被驱动器件（如继电器）。四、 各类别光耦控制电路设计及使用注意事项（实例） 4.1光耦器件设计中应用时应重点注意的参数及基本知识（1） 器件最大允许功耗（带载能力）随环境温度而降低例如下图TLP521发光管功耗-环温图，如果器件环境温度有可能达到80度，则光电管部分静态功耗设计不应超过70mW。同样的可以算出发光管的功耗以及总功耗。如果规格书同时给出了PD（发光管功耗最大值）、PC（光电管功耗最大值）、PT（总功耗最大值），则设计的器件实际功耗应低于这三个值中的最小者。（2） VCEO与VECO要
11、求以TLP521为例，“TLP521光耦VCEO为55V，VECO为7V。”这要求设计者设计的电路，TLP52次级电源不能高于55V，实际中降额一半使用时，即不超过24V，这样可保证不会正向击穿。VECO仅为7V，当次级电源有可能有反向电压毛刺或者使用环境较为恶劣（例如次级作为用户接口输出），可以在次级反向并联1N4148（注意限流）或者正向串联1N4007保护，可保证不会反向击穿。（3） CTR的稳定影响CTR稳定的三个因素：IF大小、环境温度、长时间工作（老化）。详述如下：A, LED正向电流IF大小4N33 ：CTR对IF，归一化曲线设计发光管正向电流6mA左右时4N33具有最大的电流传
12、输比。当归一化标准不同时，曲线形状不同，但大部分规格书只给出一种曲线，开发者可以参考曲线进行设计。B，环境温度影响：CTR温度特性的构成：发光管的温度特性+光电管的温度特性=CTR的温度特性，如下图。LED发光效率反比于环境温度，感光管电流放大系数正比于环境温度，两者共同作用导致CTR对温度的关系可被描述为近似先升后降的曲线。4N33：CTR对环温的归一化曲线，归一标准为If = 10mA25摄氏度(查规格表得此时CTR = 500%)设计者应保证在器件实际工作温度范围内的最小CTR能够产生足够大的IC去驱动负载。C，LED老化的影响：例图：NEC的PS2801：CTR对工作时间随工作时间的积
13、累，光耦的CTR会变低（主要是因为发光管转换效率变低，也就是发光管老化）。光耦工作的LED正向电流越小，老化越慢。环境温度越高，老化越快。因此，用合适的IF值，并与热源有足够间距能够延长光耦的使用寿命。CTR设计原则总结： 1、 根据需要的IC，计算合适的IF，得到合适的CTR。2、 温度范围内最小的CTR所输出的集电极电流仍能保证可靠工作，考虑到延长使用寿命的因素，这个值应至少再降额到75%。3、 IF越小，老化越慢。不要靠近热源。（5） 速度影响光耦速度的三个因素：负载电阻大小、光电管的hfe、光电管的结电容Ccb。详述如下：TLP521开关时间对负载电阻关系其中，负载电阻和结电容的影响是
14、我们可以控制的。TLP521负载电阻越大，ts及toff越大，这是因为CCB的放电回路时间常数越大，放电越慢。因此提高速度主要有2个办法：减小RL，减小结电容影响；增大LED的发射电流，加快感光管的响应速度。如光耦LED的驱动器件输出电流能力有限，可增加一级射极输出推挽开关电路，比如公司产品电路中常用的2SC2712+2SA1037的方式。此电路需要注意的是：a注意晶体管的C 、 E不要接错成为共射电路。共集电路（射随开关）因没有Miller电容效应，具有更好的频率特性，不会因这部分电路的速度限制了6N137的速度。b因共集开关电路的基极电流最大值被电路型式自然限流为IC（max）/Hfe，故
15、可以不加基极限流电阻。如考虑到减缓边沿、抑制EMI的因素需要在源端基极串接电阻，设计者应保证串电阻后基极电流不能小于IC（max）/Hfe-错误、无响应的问题出现（如在3.3V电源下推挽电路基极串接10K基极电阻去驱动6N13。过大的基极电阻会导致：基极电流降低-射极电流降低-光耦发光管电流不够-速度降低7，6N137隔离3MHz的SPI，出现读数错误现象）。（6） 直接驱动POWER-MOS或IGBT：使用专用光耦因功率MOS管CGS电容的影响，需要前级驱动光耦内阻足够小，带载能力足够大，否则这个RC时间常数会导致MOS管关断很慢。而普通高速光耦如6N137驱动能力较有限，需配合推挽电路调整阻抗和驱动能力。专用光耦内部已集成低阻抗高输出能力的推挽结构，直接选用即可。TLP250内部结构电路设计中若使用普通光耦直接驱动MOS管，只能在频率很低或无频率要求（仅低速控制用，非高频开关）的情况下使用；如果是使用普通光耦直接驱动M
