光耦隔離電路

1、光耦隔離電路光耦電路設(shè)計(jì)目錄簡(jiǎn)介：3輸入電路（原邊）3輸出電路（副邊）7電流傳輸比：8延時(shí)：10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

2、路），光耦的工 作原理就是輸入端輸入信號(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。輸入電路（原邊）:針對(duì)于光耦原邊的電路設(shè)計(jì),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)通壓降匕等相關(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

3、1的限 流電阻R的阻值可以根據(jù)下面的公式計(jì)算:VIN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Vn值較小時(shí)，并聯(lián)電阻上的電流小于“二極管導(dǎo)通電壓W與并聯(lián)

4、電阻R的比值”，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Vn足夠大時(shí)，并聯(lián)電阻上的電流大于“二極管導(dǎo)通電壓M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。圖2 ,典型輸入電路A 11_ _ _ L _ _r_.-.a. f- _ L _ L i j_i _l _二.j_. l _r = l.- j. _ L -_ L _ _r i _ ji_ _ L r l _l _ j一一二._ l - _ _ _ 卜一._ L _ jt.-i-._ L _ j u . j. - - . l _ j_ .故光耦輸入電路通常

5、如圖2包含限流電阻Rin、并聯(lián)電阻Ri、濾波電容Ci、 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?快速響應(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:Vin VfVf _=I FRin R 2 Rin * Clf :RC濾波的截止頻率Rin的值，而限流電阻Rin的大小又關(guān)系參數(shù)確定中至關(guān)重要的是限流電阻到光耦原邊二極管的導(dǎo)通電流If、Vf和并聯(lián)電阻Ri；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：ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Ta = 25 )ParameterSym

6、bolConditionsMIN.TYP.MAX.UnitDiodeForward Voltage*If = 16 mA1.722由上表，取光耦原邊二極管導(dǎo)通壓降的典型值1.7V為Vf;100 Ta = +100 C y 至 10.+50gC-+25:C E一-OEun。P.IEMJR0.011,01,2.02.22.4Forward VoEtage Vf (V)從上圖得，當(dāng) VF=1.7V、Ta= (-5C75C)時(shí)，I f 約在 3mA 8mAe 圍內(nèi)(If 較大時(shí)對(duì)CT做響較大)；8070605040302010151000.550Forward Current If

7、 (mA)I f在1mA- 8mAe圍內(nèi)，CTRfW寸較高。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4.0V 18.0V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Rn范圍為1.9K5.3K （VF取2.2V） c初略取一個(gè)值 R=3.3K,這些參數(shù)一般在設(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）光耦副邊一一接收光敏三極管。在這部分電路設(shè)計(jì)時(shí)必須了解此三極

8、管的 基本參數(shù)：集電極電流IC和集電極到發(fā)射極的電壓V CE。100246810 12 14 16 18 20Output Voltage Vo (V)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,再從發(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,再從集電極引出Vout （如圖4）。電流傳輸比:C TR= I c/ I F通過串聯(lián)電阻R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

9、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If和副邊三極管導(dǎo)通電流Ico而I F和I C是通過電流傳輸比（CTR直接關(guān)聯(lián)的，以此實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的 關(guān)聯(lián)。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 = I E * R L 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-I C * R L。Vouto Vou

10、t根據(jù)光耦的規(guī)格書可以得到 CTR的范圍值，但CT論受到許多因數(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I c,就可以通過上式 計(jì)算出I f,從而可以確定輸入電路的相關(guān)參數(shù)。以PS8701為例：52-.6.42.O.82.4 1 1 1 10.0.0.Ambient Temperature Ta(*c)從圖中看出，以25c為基準(zhǔn)，在其他條彳不變的情況下，-5C的CTR勺是 25c的0.9倍，75c時(shí)最小值基本與25c持平。由此可以初略計(jì)算出 Ta=(-5 C 75c ),I f為16mA情況下，CTR貴小值為0.9*15%=13.5%o同理得CTR1大值為 1.1*35%=3

11、8.5%。Forward Current If (mA)o()0:10由圖可知CTR受I f的影響：假設(shè)I f =4mA那么如何確定 CTRft Ta= (-5C75C)條件下的最小值。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，lF=16mA寸 CTR勺為 30% 而 I F=4mA寸 CTR為 45% 故 4mA 16mA的 45%/30%=1.5倍。所以，在 、=4mA/ Ta= (-5 C75C) , CTRT限名勺為 13.5% * 1.5=20.25%o 同理 CTR限名勺為 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

12、門限，以74LVC14為傷J: Vh= 2V ,V l=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(VC=3.3V),由此根據(jù)和得到：Vcc-0.44* 20.25%=3.58KR l 3.58K(此處考慮到R對(duì)CTR勺影響取R=4.7K)同時(shí)由下圖也可以基本上確定 R的值在此范圍內(nèi)SOA 3J53號(hào) 0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

13、 =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,所以彳輸500KHz以上的開關(guān)信號(hào)則PS8701不能滿足要求,Propagation Delay Time 陽 T Lf1tPMLIf = 16H1A.Vcc = 5V. Rl = 22 HLCl = 15 pF0J50.8Propagation Delay Time (Lt HftPLH0.6124Normalized to 1.0at Ta = 25 CIf = 16 mAt Vcc = 5 V, Rl = 2.2 k2E 二固 0 UQ=sEdod P n-eejonAmbient Tempe

14、rature Ta (6C)在Ta=(-5C75c)內(nèi)隨著環(huán)境溫度的增加 Tphl、Tplh也有所改變，在75c的Tplh 是25c時(shí)的1.7倍,75c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。Forward Current If (mA)據(jù)此圖根據(jù)上面推導(dǎo)原理，可以得出 Tplh在lF=4mA寸(此處按5mA隹)是 If =16mA 的 0.4 倍；而 Tphl 則是 2.7 倍。所以 Ta=(-5 C 75c )/I F=4mA/R=2.2k 時(shí)，Tplh最大值為 2.04*0.4=0.816us ,而 Tphl的最大值約為

15、 0.88*2.7=2.13usLoad Resistance Rl(2)Ta=25C/I f =16mA時(shí)，在 R 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 R=4.7K 時(shí)是 R=2.2K 的 1.7 倍，而 Tphl則 為0.86倍。所以在 Ta= (-5C75C) / I f =4mA R_=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fo=1/2.22=450.45KHz。PS8701高速光耦

16、電路參數(shù)計(jì)算：輸入規(guī)格：Vin-max=24*1.1=26.4 ； Vin-min=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：Ri = 2K=4.173mAVin _min - Vf (max) - 2VdVf (max)I F-min =RinRiVin 一 max -Vf (max) - 2VdVf (max)I F-max = -=5.627mARinRi由 PS8701 的 DATASHEET 可知，If =16/Ta=25C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 =(-5 C 75c)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