光耦隔離電路

1、光耦電路設(shè)計(jì)目錄簡(jiǎn)介：2輸入電路（原邊）2輸出電路（副邊）5電流傳輸比：7延時(shí)：9簡(jiǎn)介：外部信號(hào)可能是電壓、電流或開關(guān)觸點(diǎn)，直接接入電路可能會(huì)引起瞬時(shí)高壓、過壓、接觸點(diǎn)抖動(dòng)等。因此在外部信號(hào)輸入之前，須經(jīng)過轉(zhuǎn)換、保護(hù)、濾波、隔離等措施。對(duì)小功率信號(hào)處理時(shí): 通常簡(jiǎn)單采用RC積分濾波或再添加門電路；而在對(duì)大功率信號(hào)處理時(shí)：輸入與內(nèi)部電路電壓或電源電壓的壓差較大，常常采用光電耦合器來隔離。使用光耦設(shè)計(jì)隔離電路時(shí)，特別要注意電流傳輸比的降額，驅(qū)動(dòng)電流關(guān)斷和開通的大小，與延遲相關(guān)的負(fù)載大小及開關(guān)速率。在進(jìn)行光耦輸入電路設(shè)計(jì)時(shí)，是以光耦為中心的輸入電路與輸出電路（即原邊與副邊的電路），光耦的工作原理就是

2、輸入端輸入信號(hào)Vin，光耦原邊二極管發(fā)光使得光耦副邊的光敏三極管導(dǎo)通，三極管導(dǎo)通形成回路產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)（電壓或者電流），這樣就實(shí)現(xiàn)傳遞信號(hào)的目的。在進(jìn)行光耦輸出電路設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算公式與輸入部分相同，同時(shí)需關(guān)注電平匹配、阻抗匹配、驅(qū)動(dòng)功率、負(fù)載類型和大小。以下針對(duì)光耦輸入電路設(shè)計(jì)為例。圖1 LED驅(qū)動(dòng)電路輸入電路（原邊）：針對(duì)于光耦原邊的電路設(shè)計(jì)，如圖1 ，就是設(shè)計(jì)發(fā)光二級(jí)管的驅(qū)動(dòng)電路。因此須首先要了解光耦的原邊電流IF和二極管的導(dǎo)通壓降VF等相關(guān)信息。根據(jù)必要的信息來設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路，和通常的數(shù)字輸入電路一樣，輸入端需要添加限流電阻對(duì)二極管起保護(hù)作用。而這個(gè)電阻的阻值則是此處的關(guān)鍵，對(duì)于圖1的限

3、流電阻R的阻值可以根據(jù)下面的公式計(jì)算： 基于對(duì)抗干擾能力的考慮，通常在靠近光耦的原邊并聯(lián)接入一個(gè)電容進(jìn)行濾波。并且RC電路的延遲特性也可以達(dá)到測(cè)試邊沿，產(chǎn)生硬件死區(qū)、消除抖動(dòng)等益處。同時(shí)在數(shù)字電路中其延遲特性可能會(huì)影響到信號(hào)的同步問題（尤其是通訊、異步電路、使能控制等），因此要充分注意電路的時(shí)間約束。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了確保輸入端和公共端的電壓差Vin在4V以下時(shí)，輸入無(wú)效，光耦斷開。為此我們?cè)谳斎攵伺c公共端之間并接一個(gè)電阻避免輸入無(wú)效時(shí)造成光耦原邊的誤導(dǎo)通。此并聯(lián)電阻的采用使得光耦原邊二極管兩端的電壓受限，當(dāng)輸入電壓Vin值較小時(shí)，并聯(lián)電阻上的電流小于“二極管導(dǎo)通電壓VF與并聯(lián)電阻R的比值”，

4、則光耦的原邊電壓被電阻鉗位，由該并聯(lián)電阻兩端的電壓決定；而當(dāng)輸入端與公共端的電壓Vin足夠大時(shí)，并聯(lián)電阻上的電流大于“二極管導(dǎo)通電壓VF與并聯(lián)電阻R的比值”，該并聯(lián)電阻兩端的電壓被光耦原邊電壓鉗位，就保持為二極管的導(dǎo)通電壓。故光耦輸入電路通常如圖2包含限流電阻Rin、并聯(lián)電阻R1、濾波電容C1、光耦原邊二極管等組成。但有時(shí)會(huì)應(yīng)用二極管的單向?qū)щ娦?，以求得到單邊的快速響?yīng)特性；若雙向都放置二極管則可以提高瞬態(tài)響應(yīng)。 輸入電路中元器件相關(guān)參數(shù)可以通過下面的公式計(jì)算得出：= IF :RC濾波的截止頻率參數(shù)確定中至關(guān)重要的是限流電阻Rin的值，而限流電阻Rin的大小又關(guān)系到光耦原邊二極管的導(dǎo)通電流IF

5、、VF和并聯(lián)電阻R1；這些參數(shù)的確定跟光耦的技術(shù)參數(shù)是息息相關(guān)，以PS8701為例：由上表，取光耦原邊二極管導(dǎo)通壓降的典型值1.7V為VF； 從上圖得，當(dāng)VF=1.7V、Ta=（-575）時(shí)，IF約在3mA 8mA范圍內(nèi)（IF較大時(shí)對(duì)CTR影響較大）；IF在1mA8mA范圍內(nèi)，CTR相對(duì)較高。在采用數(shù)字光耦隔離輸入，當(dāng)輸入信號(hào)的電壓在4.0V以下時(shí)，判斷為斷開狀態(tài)(OFF)；當(dāng)輸入信號(hào)電壓大于18.0V時(shí)，判斷為閉合狀態(tài)（ON），在4.0V18.0V之間其信號(hào)狀態(tài)為不確定。則可以根據(jù)式大概推算出限流電阻Rin范圍為1.9K5.3K（VF取2.2V）。初略取一個(gè)值Rin=3.3K，這些參數(shù)一般在

6、設(shè)計(jì)電路時(shí)，以已有電路的元器件參數(shù)為基礎(chǔ)再通過計(jì)算調(diào)整至相關(guān)技術(shù)參數(shù)滿足最新設(shè)計(jì)要求。通常這些參數(shù)的變動(dòng)范圍是比較大并且在確定參數(shù)時(shí)是要考慮一定的余量。輸出電路（副邊）：光耦副邊接收光敏三極管。在這部分電路設(shè)計(jì)時(shí)必須了解此三極管的基本參數(shù)：集電極電流I和集電極到發(fā)射極的電壓。針對(duì)于光耦副邊的接受光敏三極管的電路設(shè)計(jì)通常有兩種設(shè)計(jì)方案：一種是在三極管的發(fā)射極串聯(lián)電阻RL,再?gòu)陌l(fā)射極引出Vout（如圖3）；另一種是在三極管的集電極串聯(lián)電阻RL,再?gòu)募姌O引出Vout（如圖4）。 這兩種設(shè)計(jì)方案各有不同，圖3中電路在理想條件下，輸出波形與輸入波形基本相同相位不發(fā)生變化，可通過下式計(jì)算輸出量：Vout

7、 = IE * RL 圖4中電路在理想條件下，輸出波形與輸入波形在相位相差180º ，可通過下式計(jì)算輸出量：Vout = Vcc-IC * RL 通過串聯(lián)電阻RL可以使得光耦截止時(shí)能夠保證其副邊的輸出穩(wěn)定。為了得到較好的輸出波形通常在光耦的副邊應(yīng)用RC電路進(jìn)行濾波（延時(shí)）。信號(hào)不可避免的會(huì)出現(xiàn)失真情況，因此在RC電路后使用施密特觸發(fā)器再次對(duì)付變輸出信號(hào)加以處理。故在確定光耦副邊輸出電路參數(shù)時(shí)必須考慮到觸發(fā)器的門限。在光耦隔離電路中輸入信號(hào)和輸出信號(hào)實(shí)質(zhì)上是分開的，而它們之間的實(shí)質(zhì)關(guān)聯(lián)是通過電流實(shí)現(xiàn)的，即原邊二極管前向電流和副邊三極管導(dǎo)通電流。而和是通過電流傳輸比（CTR）直接關(guān)聯(lián)的，

8、以此實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的關(guān)聯(lián)。電流傳輸比： / 根據(jù)光耦的規(guī)格書可以得到CTR的范圍值，但CTR會(huì)受到許多因數(shù)的影響，因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須保留一定的余量。由此一旦知道，就可以通過上式計(jì)算出，從而可以確定輸入電路的相關(guān)參數(shù)。以PS8701為例： 從圖中看出，以25為基準(zhǔn)，在其他條件不變的情況下，-5的CTR約是25的0.9倍，75時(shí)最小值基本與25持平。由此可以初略計(jì)算出Ta=(-575),IF為16mA情況下，CTR最小值為0.9*15%=13.5%。同理得CTR最大值為1.1*35%=38.5%。 由圖可知CTR受IF的影響：假設(shè)IF =4mA，那么如何確定CTR在Ta=（-575）條件下的最小

9、值。對(duì)照上圖中三條曲線是三個(gè)樣品測(cè)試曲線截取最上一個(gè)樣品的曲線圖。從圖中可以看出，IF=16mA時(shí)CTR約為30%，而IF=4mA時(shí)CTR為45%。故4mA是16mA的45%/30%=1.5倍。所以，在IF=4mA / Ta=（-575），CTR下限約為13.5% * 1.5=20.25%。同理CTR上限約為38.5% * 1.5=57.8%根據(jù)輸出電路后端應(yīng)用的施密特觸發(fā)器門限，以74LVC14為例：VH = 2V ,VL =0.6V,在輸出采用圖4電路時(shí)，為確保觸發(fā)器的工作狀態(tài)，故在VL的基礎(chǔ)上降額至0.4V，所以光耦副邊三極管壓降VCE=0.4 。則在電阻RL的壓降為2.9V（VCC=3

10、.3V），由此根據(jù)和得到：=3.58K RL > 3.58K （此處考慮到RL對(duì)CTR的影響取RL=4.7K）同時(shí)由下圖也可以基本上確定RL的值在此范圍內(nèi)。延時(shí)：在確定電路參數(shù)時(shí) ，延時(shí)是必須關(guān)注的。如果說CTR是關(guān)系到信號(hào)能否傳遞的量，那么延時(shí)就是關(guān)系傳遞多快的信號(hào)的量。因此延時(shí)必定會(huì)影響到電路的頻帶。以PS8701為例：在IF =16mA / RL = 2.2K時(shí)，關(guān)斷延時(shí)最大0.8us，導(dǎo)通延遲最大1.2us，所以傳輸500KHz以上的開關(guān)信號(hào)則PS8701不能滿足要求。在Ta=(-575)內(nèi)隨著環(huán)境溫度的增加TPHL 、TPLH也有所改變，在75的TPLH是25時(shí)的1.7倍，75

11、時(shí)的TPLH最大值為1.2*1.7=2.04us。而TPHL的最大值約為1.1*0.8=0.88us。據(jù)此圖根據(jù)上面推導(dǎo)原理，可以得出TPLH 在IF=4mA時(shí)（此處按5mA推）是IF =16mA的0.4倍；而TPHL則是2.7倍。所以 Ta=(-575)/IF=4mA/RL=2.2k時(shí)，TPLH最大值為2.04*0.4=0.816us，而TPHL的最大值約為0.88*2.7=2.13usTa=25/ IF =16mA時(shí)，在RL 為4.7K時(shí)TPLH=1us、TPHL =0.45us ；在RL 為2.2K時(shí)TPLH=0.6us、TPHL =0.52us；故TPLH在RL=4.7K時(shí)是RL=2.

12、2K的1.7倍，而TPHL則為0.86倍。所以在Ta=（-575）/ IF =4mA、RL=4.7K 時(shí) ，TPLH 的最大值為1.39us，TPHL 的最大值為1.83us?？傃舆t時(shí)間約為2.22us，故上限頻率為f0=1/2.22=450.45KHz。PS8701高速光耦電路參數(shù)計(jì)算：輸入規(guī)格：Vinmax=24*1.1=26.4；Vinmin=24*0.9=21.6;頻率： f0 = 80KHz限流電阻：Rin = 3.3K光耦自身規(guī)格：VF（max） = 2.2 V二極管導(dǎo)通壓降： Vd = 1 V并聯(lián)電阻 ： R1 = 2K IF-min = = 4.173mAIF-max = = 5.627mA由PS8701的DATASHEET可知，IF =16/Ta =25時(shí)的CTR= 0.150.5，根據(jù)上面“電流傳輸比”部分的說明可得到IF =4.1735.627mA / Ta =(-575)時(shí)，CTR=20.3%57.8%。由于后級(jí)74LVC14的門限電壓VL =0.6V,降額至0.4V。結(jié)合輸入電流IF ，由下式得：