光耦隔离电路

光耦电路设计目录简介：2输入电路（原边）2输出电路（副边）5电流传输比：7延时：9简介：外部信号可能是电压、电流或开关触点，直接接入电路可能会引起瞬时高压、过压、接触点抖动等。因此在外部信号输入之前，须经过转换、保护、滤波、隔离等措施。对小功率信号处理时: 通常简单采用RC积分滤波或再添加门电路；而在对大功率信号处理时：输入与内部电路电压或电源电压的压差较大，常常采用光电耦合器来隔离。使用光耦设计隔离电路时，特别要注意电流传输比的降额，驱动电流关断和开通的大小，与延迟相关的负载大小及开关速率。在进行光耦输入电路设计时，是以光耦为中心的输入电路与输出电路（即原边与副边的电路），光耦的工作原理就是输入端输入信号Vin，光耦原边二极管发光使得光耦副边的光敏三极管导通，三极管导通形成回路产生相应信号（电压或者电流），这样就实现传递信号的目的。在进行光耦输出电路设计时，计算公式与输入部分相同，同时需关注电平匹配、阻抗匹配、驱动功率、负载类型和大小。以下针对光耦输入电路设计为例。图1 LED驱动电路输入电路（原边）：针对于光耦原边的电路设计，如图1 ，就是设计发光二级管的驱动电路。因此须首先要了解光耦的原边电流IF和二极管的导通压降VF等相关信息。根据必要的信息来设计LED驱动电路，和通常的数字输入电路一样，输入端需要添加限流电阻对二极管起保护作用。而这个电阻的阻值则是此处的关键，对于图1的限流电阻R的阻值可以根据下面的公式计算： 基于对抗干扰能力的考虑，通常在靠近光耦的原边并联接入一个电容进行滤波。并且RC电路的延迟特性也可以达到测试边沿，产生硬件死区、消除抖动等益处。同时在数字电路中其延迟特性可能会影响到信号的同步问题（尤其是通讯、异步电路、使能控制等），因此要充分注意电路的时间约束。根据设计要求，为了确保输入端和公共端的电压差Vin在4V以下时，输入无效，光耦断开。为此我们在输入端与公共端之间并接一个电阻避免输入无效时造成光耦原边的误导通。此并联电阻的采用使得光耦原边二极管两端的电压受限，当输入电压Vin值较小时，并联电阻上的电流小于“二极管导通电压VF与并联电阻R的比值”，则光耦的原边电压被电阻钳位，由该并联电阻两端的电压决定；而当输入端与公共端的电压Vin足够大时，并联电阻上的电流大于“二极管导通电压VF与并联电阻R的比值”，该并联电阻两端的电压被光耦原边电压钳位，就保持为二极管的导通电压。故光耦输入电路通常如图2包含限流电阻Rin、并联电阻R1、滤波电容C1、光耦原边二极管等组成。但有时会应用二极管的单向导电性，以求得到单边的快速响应特性；若双向都放置二极管则可以提高瞬态响应。 输入电路中元器件相关参数可以通过下面的公式计算得出：= IF :RC滤波的截止频率参数确定中至关重要的是限流电阻Rin的值，而限流电阻Rin的大小又关系到光耦原边二极管的导通电流IF、VF和并联电阻R1；这些参数的确定跟光耦的技术参数是息息相关，以PS8701为例：由上表，取光耦原边二极管导通压降的典型值1.7V为VF； 从上图得，当VF=1.7V、Ta=（-575）时，IF约在3mA 8mA范围内（IF较大时对CTR影响较大）；IF在1mA8mA范围内，CTR相对较高。在采用数字光耦隔离输入，当输入信号的电压在4.0V以下时，判断为断开状态(OFF)；当输入信号电压大于18.0V时，判断为闭合状态（ON），在4.0V18.0V之间其信号状态为不确定。则可以根据式大概推算出限流电阻Rin范围为1.9K5.3K（VF取2.2V）。初略取一个值Rin=3.3K，这些参数一般在设计电路时，以已有电路的元器件参数为基础再通过计算调整至相关技术参数满足最新设计要求。通常这些参数的变动范围是比较大并且在确定参数时是要考虑一定的余量。输出电路（副边）：光耦副边接收光敏三极管。在这部分电路设计时必须了解此三极管的基本参数：集电极电流I和集电极到发射极的电压。针对于光耦副边的接受光敏三极管的电路设计通常有两种设计方案：一种是在三极管的发射极串联电阻RL,再从发射极引出Vout（如图3）；另一种是在三极管的集电极串联电阻RL,再从集电极引出Vout（如图4）。 这两种设计方案各有不同，图3中电路在理想条件下，输出波形与输入波形基本相同相位不发生变化，可通过下式计算输出量：Vout = IE * RL 图4中电路在理想条件下，输出波形与输入波形在相位相差180 ，可通过下式计算输出量：Vout = Vcc-IC * RL 通过串联电阻RL可以使得光耦截止时能够保证其副边的输出稳定。为了得到较好的输出波形通常在光耦的副边应用RC电路进行滤波（延时）。信号不可避免的会出现失真情况，因此在RC电路后使用施密特触发器再次对付变输出信号加以处理。故在确定光耦副边输出电路参数时必须考虑到触发器的门限。在光耦隔离电路中输入信号和输出信号实质上是分开的，而它们之间的实质关联是通过电流实现的，即原边二极管前向电流和副边三极管导通电流。而和是通过电流传输比（CTR）直接关联的，以此实现输入与输出的关联。电流传输比： / 根据光耦的规格书可以得到CTR的范围值，但CTR会受到许多因数的影响，因此在电路设计时必须保留一定的余量。由此一旦知道，就可以通过上式计算出，从而可以确定输入电路的相关参数。以PS8701为例： 从图中看出，以25为基准，在其他条件不变的情况下，-5的CTR约是25的0.9倍，75时最小值基本与25持平。由此可以初略计算出Ta=(-575),IF为16mA情况下，CTR最小值为0.9*15%=13.5%。同理得CTR最大值为1.1*35%=38.5%。 由图可知CTR受IF的影响：假设IF =4mA，那么如何确定CTR在Ta=（-575）条件下的最小值。对照上图中三条曲线是三个样品测试曲线截取最上一个样品的曲线图。从图中可以看出，IF=16mA时CTR约为30%，而IF=4mA时CTR为45%。故4mA是16mA的45%/30%=1.5倍。所以，在IF=4mA / Ta=（-575），CTR下限约为13.5% * 1.5=20.25%。同理CTR上限约为38.5% * 1.5=57.8%根据输出电路后端应用的施密特触发器门限，以74LVC14为例：VH = 2V ,VL =0.6V,在输出采用图4电路时，为确保触发器的工作状态，故在VL的基础上降额至0.4V，所以光耦副边三极管压降VCE=0.4 。则在电阻RL的压降为2.9V（VCC=3.3V），由此根据和得到：=3.58K RL 3.58K （此处考虑到RL对CTR的影响取RL=4.7K）同时由下图也可以基本上确定RL的值在此范围内。延时：在确定电路参数时 ，延时是必须关注的。如果说CTR是关系到信号能否传递的量，那么延时就是关系传递多快的信号的量。因此延时必定会影响到电路的频带。以PS8701为例：在IF =16mA / RL = 2.2K时，关断延时最大0.8us，导通延迟最大1.2us，所以传输500KHz以上的开关信号则PS8701不能满足要求。在Ta=(-575)内随着环境温度的增加TPHL 、TPLH也有所改变，在75的TPLH是25时的1.7倍，75时的TPLH最大值为1.2*1.7=2.04us。而TPHL的最大值约为1.1*0.8=0.88us。据此图根据上面推导原理，可以得出TPLH 在IF=4mA时（此处按5mA推）是IF =16mA的0.4倍；而TPHL则是2.7倍。所以 Ta=(-575)/IF=4mA/RL=2.2k时，TPLH最大值为2.04*0.4=0.816us，而TPHL的最大值约为0.88*2.7=2.13usTa=25/ IF =16mA时，在RL 为4.7K时TPLH=1us、TPHL =0.45us ；在RL 为2.2K时TPLH=0.6us、TPHL =0.52us；故TPLH在RL=4.7K时是RL=2.2K的1.7倍，而TPHL则为0.86倍。所以在Ta=（-575）/ IF =4mA、RL=4.7K 时 ，TPLH 的最大值为1.39us，TPHL 的最大值为1.83us。总延迟时间约为2.22us，故上限频率为f0=1/2.22=450.45KHz。PS8701高速光耦电路参数计算：输入规格：Vinmax=24*1.1=26.4；Vinmin=24*0.9=21.6;频率： f0 = 80KHz限流电阻：Rin = 3.3K光耦自身规格：VF（max） = 2.2 V二极管导通压降： Vd = 1 V并联电阻 ： R1 = 2K IF-min = = 4.173mAIF-max = = 5.627mA由PS8701的DATASHEET可知，IF =16/Ta =25时的CTR= 0.150.5，根据上面“电流传输比”部分的说明可得到IF =4.1735.627mA / Ta =(-575)时，CTR=20.3%57.8%。由于后级74LVC14的门限电压VL =0.6V,降额至0.4V。结合输入电流IF ，由下式得： = 3400 RL 3.4K结合光耦副边压降VO 、 RL 和 下图得： 取RL = 4.7K。由上面的延时部分 当IF =4.173mA 时，TPLH = 1.39us，TPHL = 1.83us，上限频率为f0=1/2.22=450.45KHz；当IF = 5.626mA时，TPLH = 1.45us，TPHL = 1.51us，上限频率为f0=1/2.96=337.84KHz；