光偶开关特性分析及其改善续.doc

光耦开关特性分析及其改善摘 要 光耦作为隔离器件进行信号传输，具有体积小，价格便宜等优点；但其开关速度慢的缺点影响着光耦的使用及电路的性能。本文提出一种改进的单向传输的光耦合电路，其上升时间（包括导通延时），下降时间（包括关断延时）都可控制在3us以内。正 文原理分析： 光耦作为隔离器件进行信号传输，具有体积小，价格便宜等优点；但其开关速度慢的缺点影响着光耦的使用及电路的性能。以下为旧的光耦传输电路及传输波形， 为达到较快的开关速度，设计时选择光耦的工作状态为临界饱和状态；因此，此电路存在以下缺点：1. 光耦导通时工作在临界饱和状态或饱和状态，因此光耦关断延时长 ；2. 由于光耦的CTR范围大，且温度特性差，故设计时参数选择困难，很容易使光耦进入非饱和区。3. 光耦的CTR随工作时间累积而减小，使光耦逐渐进入放大工作区而导致信号传输失败。4. 由于光耦的前极输入电流IF较大（约10mA），加快了光耦CTR的衰减速度，不利于光耦的寿命。针对以上缺点，进行的改进构想及改进后的电路：1. 在光耦输出极增加如右图所示的电流放大电路，当光耦导通时三极管Q1则处于饱和导通状态。此电路在现有的“IIC.DATA”线路中已有运用。这种电路有效的避开了光的导通压降问题，同时对输出波形进行整形。但为了同时得到较快的开通与关断速度，参数设计时仍需考虑使光耦导通时工作在临界饱和状态。2. 根据光耦的特性，当输出电阻（负载）不变，减小输入电阻（i.e. 增大输入电流IF），光耦的导通速度越快，关断速度越慢；反之，当输出电阻（负载）不变，增大输入电阻（i.e. 减小输入电流IF），光耦的导通速度越慢，关断速度越快。同样，当输入电流IF不变，减小输出电阻（增大负载），光耦的关断速度越快，导通速度越慢；反之，当输入电流IF不变，而增大输出电阻（减小负载），光耦的导通关断越慢，导通速度越快。 因此能否找到一种简单的，能实现 IF导通初期较大，稳态时小的电路。使用普通三极管的基极加速电路（R-C电路）就可以实现此功能，电路图如下， 当输入信号“DATA-I/P”由高“1”到低“0”时，光耦之二极管导通，此时C1两端电压为零，C1由“+5v-s”通过R1，“DATA-I/P”充电，初始电流较大 ，时间常数为t=R1*C1；当光耦得到较大的输入电流后，迅速导通。当 T=4*t 后，电容C1充电响应完成，由R2维持光耦导通所需的较小的电流；当输入信号“DATA-I/P”由低“0” 到高“1”时，光耦在小电流输入下关断， 因此得到较快的关断速度。（图中二极管D1的目的：提供电容C1的快速的放电回路）。参数计算： 图1：电路原理图其中，光耦的等效电路如下： 通常,接点电容(C-CB)是很大的（大于20PF），从而导致响应速度（关断时间 T-OFF）慢。 T-OFF=C-CB*hFE*RL。 在实际的电路设计中，C-CB和hFE是确定的，那么负载RL起主要作用。 在图1.1中，可以看出负载与转换时间之间的关系。 在这里，取R10330 ohm。从这里也可以看出，Q2起到阻抗变换的作用。 图1.1 Load Resistance Rl (ohm)部分参数设计步骤:1. 计算光耦的输出电流Ic 为了达到较低的输出阻抗,选取R5=499ohm。信号传输的要求，当晶体管Q2导通时，其集射极电压Vce必须0.8V，于是有 I2=(5-VCE)/R5=(5-0.8)/499=8.4(mA)可以假设Q2的hFE 为最坏情况下（hFE=40），于是Ib为 Ib=I2/hFE=8.4/40=0.21(mA)同样，Q2导通时Vbe的最大值为0.8V，于是 I1=Vbe/R10=0.8/330 (ohm)=2.4 (mA)因此,光耦输出电流的最小值为 Ic =I1+Ib=2.6(mA)2 计算光耦的输入电流If 因为PS2561的CTR范围是130-260%,从最坏的情况考虑，应选择CTR为130。通常，CTR随着时间的积累和温度的改变而减小。那么设计一个必须至少运行十年的光耦电路，应考虑这些因素： （见图2） CTR 随着时间积累而改变（10年，Ta60 degree） 下降40（参考0年的初始值） （见图3） 在各种室温特性下CTR的相对值（Ta=60 degree） 下降15（参考Ta25 degree 的初始值）考虑到上述情况及安全系数1.2,CTR应为 1301.2*0.85*0.6= 55.25%图3图2那么Ifmin=Io CTR=2.6 55. 25%=4.8(mA) 图43 其他重要参数设计由图4，得 R3(5-Vf)If =(5-1.2) 4.8=790(ohm)取R3=750ohm,则If=(5-1.2) 750=5mA。要获得较快的开关速度，光耦必须工作在放大状态，Ic最大值计算如下：Ic=If*CTRmax* 安全系数，取If=5.0mA, CTRmax=260% , 安全系数1.4, 那么Ic=5.0* 260%*1.4=18.2(mA) 取Vce=0.2V（最坏情况下）, 那么R4(5-Vce-Ve) Ic =(5-0.2-0.8)18.2(mA)=267ohm,取R4=220ohm;注：在实际的调试中，可以调试R3，R4，R10，的获得较满意的效果，这里，可取R3=2Kohm，R4=50ohm， R10=1Kohm。 图5实验结果：改善后光耦电路的关断延时及导通延时分别为：1.960S,1.160S. 波形如下： CH1:I/p, CH2:O/P,TURN OFF DELAY TIME :1.960S CH1:I/P,CH2:O/P,TURN ON