1、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
2、产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
3、等。4、推挽输出型（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21、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
4、示意图图 3，带基极引脚的光耦原理示意图3图 4，达林顿输出型（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） 。4（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
5、耗）能力下降。TPL521 的工作温度范围是环境温度-55+100 度。（3）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
6、降(derating)。TLP521 在 25 度环温时允许的最大功耗为 0.25W。（6）VCEO, 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。5（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 o
7、f 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
8、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 ，forward 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。6（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
9、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7三、 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
10、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。8同样的
11、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 1N
12、4007 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94N33 ：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。104N33：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：
