使用HCNR线性光耦原理与电路

1.线形光耦地研究设计光隔离是一种很常用地信号隔离形式.常用光耦器件及其外围电路组成.因为光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议地20mA电流环.对于模拟信号,光耦因为输入输出地线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离地应用.对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见地选择，但对于 支流信号却不适用.一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离地解决方案，如ADI地AD202,能够提供从直流到几K地频率内提供0.025%地线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生地交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果.集成地隔离放大器内部电路复杂，体积 大，成本高,不适合大规模应用.模拟信号隔离地一个比较好地选择是使用线形光耦.线性光耦地隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦地单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈地光接受电路用于反馈.这样,虽然两个光接受电路都是非线性地，但两个光接受电路地非线性特性都是一样地，这样，就可以通过反馈通路地非线性来抵消直通通路地非线性，从而达到实现线性隔离地目地.市场上地线性光耦有几中可选择地芯片，如Agile nt公司地HCNR200/201,TI子公司TOAS地TIL300,CLARE地LOC111等.这里以 HCNR200/201为例介绍2. 芯片介绍与原理说明HCNR200/201地内部框图如下所示LED CATHODELEDANOOESNC图表1 HCNR2C0/2Q1内部结构其中1、2引作为隔离信号地输入,3、4引脚用于反 馈,5、6引脚用于输出.1、2引脚之间 地电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间地电流分别记作IPD1和IPD2.输入信号经过电压-电流转 化，电压地变化体现在电流IF上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和K2,即Pa p 一 PDl? 5 II1 F1FK1与K2 一般很小HCNR20（是0.50%）,并且 随温度变化较大 其中是在运放输入差模为0时地输岀电压,G为运放地增益，一般比较大.忽略运放负端地输入电流,可以认为通过 R1地电流为IP1,根据R1地欧姆定律得：Pl(2)其中，为光耦2脚地电压，考虑到LED导通时地电压 将和地表达式代入上式，可得:，丄一 X 一璟匕-匕）_ 鸟化厂GM If %叫 K（% 弋）K（% 弋卄GJO&上式经变形可得到：（尺（ %） + KG叫=Ryin - R#（6）y =人3”和一人&1（匕DQ 一匕0） （ KRG + R.将地表达式代入3）式可得:%-匕_%-哄+ G匕GH 托-GKR（%-乙）k2rxg十尽（% -叫）兔 + KRG（% 一眄口） + GR九 -GK屆（1% -叫）RK十 R?R辛时皿+ R貝考虑到G特别大，则可以做以下近似：g g &KRG + 哄 KR这样,输出与输入电压地关系如下：乙=/朋二KJ也二欝二心学人144可见，在上述电路中，输岀和输入成正比，并且比例系数只由 K3和R1、R2确定.一般选 R1=R2,达到只隔离不放大地目地.4. 辅助电路与参数确定上面地推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内地, 要想做到这一点需要对运放进行合理选型 , 并且确定电阻地阻值 .4.1 运放选型运放可以是单电源供电或正负电源供电 , 上面给岀地是单电源 供电地例子 . 为了能使输入 范围能够从0到VCC需要运放能够满摆幅工作，另外，运放地工作速度、压摆率不会影响整个电路地性能 .TI 公司地 LMV321 单运放电路能够满足以上要求 , 可以作为 HCNR200/201 地外围电路 .4.2 阻值确定电阻地选型需要考虑运放地线性范围和线性光耦地最大工作电流IFmax.K1 已知地情况下,IFmax又确定了 IPD1地最大值IPDImax,这样，因为Vo地范围最小可以为 0,这样，因为考虑到 IFmax 大有利于能量地传输 , 这样 , 一般取另外, 因为工作在深度负反馈状态地运放满足虚短特性 , 因此, 考虑 IPD1 地限制 ,这样 ,R2地确定可以根据所需要地放大倍数确定，例如如果不需要方法，只需将R2=R1即可.另外因为光耦会产生一些高频地噪声,通常在R2处并联电容，构成低通滤波器，具体电容地值由输入频率以及噪声频率确定 .4.3 参数确定实例假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间，输岀等于输入，采用LMV321运放芯片以及上面电路，下面给岀参数确定地过程 .*确定IFmax : HCNR200/201地手册上推荐器件工作地25mA左右；* 确定 R3： R3=5V/25mA=200；* 确定 R1:。* 确定 R2: R2=R1=32K.1. 线形光耦介绍光隔离是一种很常用地信号隔离形式常用光耦器件及其外围电路组成因 为光耦电路简单,在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到,如UART协议地 20mA电流环.对于模拟信号，光耦因为输入输出地线形较差，并且随温度变化较 大，限制了其在模拟信号隔离地应用.对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见地选择，但对于支流信号却不 适用.一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离地解决方案,如ADI地AD202,能够提供从直流到几K地频率内提供0.025%地线性度,但这种隔离器件内部先 进行电压-频率转换,对产生地交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压 转 换得到隔离效果.集成地隔离放大器内部电路复杂，体积大,成本高,不适合大规 模应用.模拟信号隔离地一个比较好地选择是使用线形光耦.线性光耦地隔离原理与 普通光耦没有差别，只是将普通光耦地单发单收模式稍加改变，增加一个用于反 馈地光接 受电路用于反馈.这样,虽然两个光接受电路都是非线性地，但两个光 接受电路地非线性特性都是一样地，这样,就可以通过反馈通路地非线性来抵消 直通通路地非 线性,从而达到实现线性隔离地目地.市场上地线性光耦有几中可选择地芯片，如Agile nt公司地 HCNR200/201,TI子公司 TOAS地 TIL300,CLARE地 LOC111等.这里以 HCNR200/20伪例介绍2. 芯片介绍与原理说明HCNR200/20哋内部框图如下所示PD1 CATHQ06PD1 ANODE图表1 HCNR2Q0/2C1内部结构其中1、2引作为隔离信号地输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输 出.1、2引脚之间地电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间地电流分别记 作IPD1和IPD2.输入信号经过电压-电流转化,电压地变化体现在电流IF 上,IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和K2,即K 【PE p IFD1民、2 1K1与K2 一般很小VHCNR20是0.50%),并且随温度变化较大HCNR20地变 化范围在0.25%到0.75%之间)，但芯片地设计使得K1和K2相等.在后面可以 看到,在合理地外围电路设计中，真正影响输出/输入比值地是二者地比值K3,线 性光耦正利用这种特性才能达到满意地线性度地 .HCNR2O0口 HCNR20地内部结构完全相同,差别在于一些指标上.相对于 HCNR200,HCNR2提供更高地线性度.米用HCNR200/20进行隔离地一些指标如下所示：* 线性度：HCNR200 0.25%,HCNR201 0.05%;* 线性系数 K3: HCNR20： 15%,HCNR201 5%*温度系数：-65ppm/oC;*隔离电压：1414V;*信号带宽：直流到大于1MHz.从上面可以看出，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离地是电流，要想真正隔 离电压，需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路 .下面对HCNR200/201 地典型电路进行分析，对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进 行推导与说明.3. 典型电路分析Agile nt公司地HCNR200/20哋手册上给出了多种实用电路,其中较为典型 地一种如下图所示：输入如图表2HCNR200/201典型电路设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证地两个电流传递系数分 别为K1、K2,显然,和之间地关系取决于和之间地关系.将前级运放地电路提出来看，如下图所示:图表3 HCNR200/201反馈电路设运放负端地电压为，运放输出端地电压为，在运放不饱和地情况下二者满 足下面地关系：Vo=Voo-GVi(1其中是在运放输入差模为0时地输出电压,G为运放地增益，一般比较大.忽略运放负端地输入电流,可以认为通过R1地电流为IP1,根据R1地欧姆 定律得：(2)通过R3两端地电流为IF,根据欧姆定律得:(3)其中,为光耦2脚地电压,考虑到LED导通时地电压 将和地表达式代入上式，可得：丄一 % 一凡代厂匕）一R代T ）h %-匕-匕）尽（乙-匕+GX）上式经变形可得到：- %） + KMX = RJ4 - R#G砒；-GKR（%-%）DD 风K 贰G + R3将地表达式代入3）式可得:I匕_ （% - 匕。她 + KRG（% -眄） + GR九 - GK屆 - 乙）场AT】尽G十jR3/?30加-乙）込+r3krg+r3r3考虑到G特别大,则可以做以下近似:- lint亿。一）他+G傀诊g叭RQ +嗨这样,输出与输入电压地关系如下：匕址=1涂2 = KJ F 兔=H Vin =3 Kn 反 1%A1可见，在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确 定.一般选R仁R2达到只隔离不放大地目地.4. 辅助电路与参数确定上面地推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内地，要想做到这一点需要对运放进行合理选型，并且确定电阻地阻值.4.1运放选型运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出地是单电源供电地例子为了能使输入范围能够从0到VCC需要运放能够满摆幅工作，另外,运放地工作 足以上要求,可以作为HCNR200/201地外围电路.速 度、压摆率不会影响整个电路地性能.TI公司地LMV321单运放电路能够满4.2阻值确定电阻地选型需要考虑运放地线性范围和线性光耦地最大工作电流IFmax.KI已知地情况下,IFmax又确定了 IPD1地最大值IPDImax,这样,因为 V地范围最小可以为0,这样,因为考虑到IFmax大有利于能量地传输,这样,一般取另外,因为工作在深度负反馈状态地运放满足虚短特性,因此，考虑IPD1地限制,这样,R2地确定可以根据所需要地放大倍数确定，例如如果不需要方法，只需将 R2=R1即可.另外因为光耦会产生一些高频地噪声，通常在R2处并联电容，构成低通滤波 器,具体电容地值由输入频率以及噪声频率确定4.3参数确定实例假设确定Vcc=5V,输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片 以及上面电路，下面给出参数确定地过程.*确定IFmax： HCNR200/20地手册上推荐器件工作地25mA左右；* 确定 R3: R3=5V/25mA=20p*确定R1:。* 确定 R2: R2=R仁32K.5.总结本文给出了线性光耦地简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中地注意事项 与参考设计，并对电路地设计方法给出相应地推导与解释，供广大电子项目师参 考.