光耦隔离驱动电路

光耦隔离（驱动）电路一、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 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产品上广泛应用非线性光耦。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：、数字信号隔离：非线性光耦，如 对高速数字信号如 、 等接口的隔离。、模拟信号隔离传递：线性光耦。隔离驱动：普通输出型，如 对信号的隔离；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。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:、通用型： 、 等。、数字逻辑输出型（高速、带输出控制脚）： 及其变种 系列等。、达林顿输出型：3 等。、推挽输出型（o 驱动专用）： 、等艾诺公司截止到年月常用光耦型号统计及分类见表格《艾诺光耦光耦基础知识、光耦结构及原理示意光耦的主要构成部分： （电光）、光电管（光电）、电流放大（）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 驱动光耦）、双向光耦（部分为两个发光管反向并联，可响应交流信号）。CollectorCollector图，光耦一般原理图图，带基极引脚的光耦原理示意图图，达林顿输出型（不带基极引脚）示意图达林顿输出型（带基极引脚）示意图图6输出带控制的光耦示意图专用光耦（内部带推挽），双向光耦（在公司应用极少，本文未包括相关内容）、光耦的主要参数简介（）（或） 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（如分钟）。1呂。他tioiiVolta百t |2500（AC..1min讣R「H「三SO%）（Note1） Vrms(Note1):Deviceconsideredatwo device:LEDsidepinsshortedtog^therandDETECTORsidepinsshortedtogether.

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（承受功耗）能力下降。|OperatingTemperatureRange|TDpr | -55-100 |迅| 的工作温度范围是环境温度度。（）, r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时，在环温度下，保证不会因为功耗而损坏。CHARACTERISTICSYMBOLRATINGUNITTLP521-1TLP521-2TLP521-4ForwardCurrentIF7050mA的 正向电流允许最大值为，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。ReverseVpltegeVr1 ^-5— （） C 环温度时，光耦所能允许的最大功耗。环温温度上升,此值下降 tCollectorPowerDissipation(1Circuit)PcCollectorPowerDissipation(1Circuit)Pc150100mWCollectorPowerDissipation(1Circuit) ©RATINGCHARACTERISTICSYMBOLTLP&21-1TLP521-2TLP521-4UNITTotalPackagePowerDissipatioinPt 250 150 mWCollectorPowerDissipationDerating(1CircuityTa=25°C)JPc/°C-1,5-L0jn.W/°C在度环温时允许的最大功耗为（）当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大 电压。当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大 电压。Collector-EmitterVoltEigcVCEO55VEmitter-CollectorVoltageveco7V如， 的仅，为。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。（）C 光电管在环温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 以下。|p|CollectorCurrent |_| 50 |_mA|如， 的集电极电流值限制为 （）。（）t n电流传输比。当固定，光电管与之比。（0s 初次级绝缘电阻。|kolalionResistanceRsVs=500Vh氐H.峑60%-KP1—n如， 测试绝缘（在小于湿度环境下），绝缘电阻大于 欧。s ，绝缘电容，高频信号加到器件上时，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。Capacitance(InputtoOutput)VS=0,f=1MHz—0,8—pF（1 F光管的功耗。一般温度一定时，发光管流过正向电流时产生的压降， 和构成发越大， 越大。 一定时，环温越高， 越低。a■Aa■A53

ao.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。LForwardVoltageVFIp=10mA1.01J51.3VhReverseCurrentIrVH=5V——10(3,，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。CapacitanceCtV=0,f=1MHz— 30pF(4 ，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,结承受电压越大此电流越大。环温上升会导致此电流变大。CollectorDarkCurrentICEOVCE=24V—10100nAVce=24VfTa=師弋—250pA(5 ,光电管饱和压降。Collector-EniitterSaturationVoltageIqCollector-EniitterSaturationVoltageIq二2,4mAaIy=8mA——0,4IjQ=0,2mA,Ip=1mA——RankGB——0,4^VCE(sat)开关特性参数，主要包括开启时间、关断时间等RiseTimesVcc=10vIq=2mARl=100Q—2—■FallTimetf—3—-Turn・0口Timeton—3—Turn-ofFTimetoff—3—Turn-onTime*ONRL=19kfl(Fig,l)Vqq—5V,If—16mA—2—StorageTime—15—Turn-ofFTimet0FF—25—Fig1:SWITCHINGTIMETESTCIRCUIT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 数字总线）、隔离驱动（如驱动继电器、发光体等）的硬件电路。隔离驱动电路的类别、数字总线隔离。如使用 实现、 等隔离。、普通数字信号隔离。如使用 实现测量板与主控板间普通信号的隔离。、隔离驱动。如使用 实现主控板与继电器（开关量）板的隔离以及继电器的驱动。各类别控制电路的主要器件、串行数字总线隔离：光耦、如需要增加晶体管。、普通数字信号隔离：光耦。、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）光耦器件设计中应用时应重点注意的参数及基本知识（）器件最大允许功耗（带载能力）随环境温度而降低例如下图 发光管功耗环温图，如果器件环境温度有可能达到度，则光电管部分静态功耗设计不应超过 。同样的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（发光管功耗最大值）、 （光电管功耗最大值）、 （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。（）与要求以 为例，“光耦为，为。”这要求设计者设计的电路， 次级电源不能高于，实际中降额一半使用时，即不超过4这样可保证不会正向击穿。仅为，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 （注意限流）或者正向串联 保护，可保证不会反向击穿。（）的稳定影响稳定的三个因素：大小、环境温度、长时间工作（老化）。详述如下：正向电流大小1.61.61.4: 对，归一化曲线设计发光管正向电流 左右时 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：温度特性的构成：发光管的温度特性光电管的温度特性 的温度特性，如下图。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，两者共同作用导致对温度的关系可被描述为近似先升后降的曲线。Fug.6Fug.6NormahzedCTRvs.AmbientTemperature

(WhitePackage)14xs口山NnvsHOM: 对环温的归一化曲线，归一标准为 摄氏度查规格表得此时设计者应保证在器件实际工作温度范围内的最小 能够产生足够大的去驱动负载。老化的影响:例图:LONGTERMCTRDEGRADATION0.07YP.|r=5mAT;=2&0.07YP.|r=5mAT;=2&C■l==20mATa=25'Cr/l「T?=5mAi=601/1.21.0o.B0.60.40.21010s103‘0°1111年_ime(Hr)的 ： 对工作时间

随工作时间的积累，光耦的会变低(主要是因为发光管转换效率变低，也就是发光管老化)。光耦工作的正向电流越小，老化越慢。环境温度越高，老化越快。因此，用合适的值，并与热源有足够间距能够延长光耦的使用寿命。设计原则总结：、根据需要的，计算合适的，得到合适的。、温度范围内最小的 所输出的集电极电流仍能保证可靠工作，考虑到延长使用寿命的因素，这个值应至少再降额到 。、 越小，老化越慢。不要靠近热源。()速度影响光耦速度的三个因素：负载电阻大小、光电管的、光电管的结电容。详述如下：iwoiwo开关时间对负载电阻关系其中，负载电阻和结电容的影响是我们可以控制的。 负载电阻越大，及越大，这是因为 的放电回路时间常数越大，放电越慢。因此提高速度主要有个办法:减小，减小结电容影响；增大 的发射电流，加快感光管的响应速度。如光耦 的驱动器件输出电流能力有限，可增加一级射极输出推挽开关电路，比如公司产品电路中常用的 的方式。此电路需要注意的是：注意晶体管的、不要接错成为共射电路。共集电路（射随开关）因没有电容效应，具有更好的频率特性，不会因这部分电路的速度限制了 的速度。因共集开关电路的基极电流最大值被电路型式自然限流为（） ，故可以不加基极限流电阻。如考虑到减缓边沿、抑制 的因素需要在源端基极串接电阻，设计者应保证串电阻后基极电流不能小于 （） 错误、无响应的问题出现（如在电源下推挽电路基极串接 基极电阻去驱动 1过大的基极电阻会导致：基极电流降低射极电流降低光耦发光管电流不够速度降低，隔离的，出现读数错误现象）。（）直接驱动 或：使用专用光耦因功率管电容的影响，需要前级驱动光耦内阻足够小，带载能力足够大，否则这个时间常数会导致 管关断很慢。而普通高速光耦如 驱动能力较有限，需配合推挽电路调整阻抗和驱动能力。专用光耦内部已集成低阻抗高输出能力的推挽结构，直接选用即可。电路设计中若使用普通光耦直接驱动管，只能在频率很低或无频率要求（仅低速控制用，非高频开关）的情况下使用；如果是使用普通光耦直接驱动对管，死区时间应该足够大，并增加推挽电路。（）光耦输出端的基极：速度问题、暗电流导致的输出错误、干扰问题的可选解决途径。【注意：本小节的内容主要来自公司：《 》及相关文档，未经实验验证，在此列出仅供参考】有些光耦（如 3封装带基极引脚。基极的作用分几种情况：、提高速度。对于高速光耦，基极脚接电阻能极大减小 ，也就是能够提高速度。

、消除光耦驱动高阻抗负载时暗电流所引起的电平错误，提高输出电平的稳定性。光电管基极接电阻能够消除暗电流的影响，（尤其是对于达林顿型高的光耦）在温度、环境变化时稳定输出电平，极大提高驱动高阻值负载时的可靠性。c提高抗干扰性能。当有强烈的干扰（如实验），基极接电容能够削弱干扰。详述如下：A提高速度：光电管结电容导致光耦关断被延迟， 提供结电容放电回路。Inputmonitor r\—*AFVo0■因的存在导致变大，光耦关断变慢。在器件外部基极到地接 电阻，极大减小了 ，但输出电平也降低了，原因是分了一部分基极电流，极净电流减小， 变小，下降，见下图（规格书）：

可以根据规格书曲线的标示选取大一些的电阻如 欧，可得到合适的电流或电压。稳定输出（削弱暗电流影响）c-cc-cJ-cccSee«fifijc-cc-cJ-cccSee«fifijQlX':Vcsa-cv•• 1— 1—1— —X ■■=jFlg^19DarkCurrentvs.AmblerrtTempeuturec £ -c -ecTa・A\lfiSMITEM&EAAT」HErC|这是暗电流随环境温度变化曲线，当温度上升，暗电流增大。如果负载电阻足够大（例如光耦输出端接了几百的上下拉电阻），电阻压降将导致输出电平错误，输出误动作等问题。此时可以通过接来解决。一般 可取几百到几之间。C削弱干扰，增强共模瞬变抑制能力当干扰足够强（如或者实验）时，由于分布电容 -结电容的存在，被隔离一侧的干扰会耦合出现在另一侧引脚上。

测试电路，为浪涌电压测试电路，为浪涌电压基极悬空，发光管短路，理论上因光耦的隔离作用，次级不应出现任何输出电压。实际上，初次级间的干扰通过 、 耦合到光电管极，导致出现错误输出。见下图：改进方法：增加一个电容Cae=100pFf厂可以看到干扰信号的幅值变小。改进方法：剪掉极引出脚ff\\GraphB•⑻Up :InputSurgeVoltage(Vin:1000V/DIV)DOWN:PS26O1Output(Vo:1V/DIV)上图：剪掉极引脚前，下图：剪掉极引脚后。Cutthebasapin(pin6)可以看到干扰信号的宽度变窄。某些高速光耦如 1本身具有对这种干扰的抑制能力，其规格书中一般会给出参数，见下图:

CommonModeTransient =251比胡1=50V,(Peak)Immunity(atOutputHigh (1卩-0mAtVqh(Min.)=2.0V)Level^ 6N137,HCPL-2630 (RL=350Q)(Note10)HCPL-2601.HCPL-2631 (Fig.14)ICMhI500010,00010.000V/^isHCPL-2611 IVCMI-400V10s00015,000CommonModeTransient (RL=35011}(lF=7.5mA,V0L(Max.)=0.8VEntity(atOutputLow时枫HCPL*2630 IVCMI=50V(Peak)ICMJ10,000V/psHCPL-2601.HCPL-2631(TA=256C}(Note11)(Fig.14)500010.000HCPL-2611(Ta=25"C) IVCMII=400V10800015.000CMh-Themaximumtolerablerateofriseoftihecommonmodevoltagetoensuretheoutputwillremaininthehighstate(i.e.,Vqut>2.0V).Measuredinvoltspermicrosecond(V/ps).CMl-ThemaximLimtolerablerateofriseofthecommonmodevoltagetoensuretheoutputwillremaininthelowoutputstate(i启"Vqut<OB你Measuredinvoltspermicrosecond(V/ps).（摘自 规格书）共模瞬变抑制能力的测试方法（摘自 规格书）（）对光耦隔离距离的要求：认证对光耦安装到印制板后被隔离两侧的导体间距有严格要求，在此对于需要考虑认证的设计，需要注意以下点：光耦器件下方（两引脚之间）不能有走线。，应选用引脚间距大于毫米的插件光耦。（如选用贴片需经过验证方确认）。（）驱动（器件）的默认状态：驱动继电器、 管、隔离的 信号应注意默认状态问题。设计者注意检查开关机、异常条件下信号的默认状态下的可靠性。光耦隔离（驱动）电路设计过程与实例设计过程：（1确定电路型式，分析隔离（驱动）需求；确定隔离的需求，如隔离速度要求，隔离类型是高速数字隔离，还是低速数字隔离、隔离功率驱动，或者是用户接口的隔离等等。确定电路型式及所需要计算元件参数。（2选择光耦，分析器件参数；根据速度要求、输出电流能力、功耗、绝缘电压等选择光耦。并分析光耦的参数。（3计算相关过程参数（注意降额）；计算光耦隔离两端的电流、电压，电流传输比及外围器件的工作条件。注意会随正向电流、温度、时间而变化，应留出足够的余量。某些高速光耦（如）输出是数字逻辑，未给出明确的，可以根据给出的推荐工作参数设计电路。（4计算器件参数；根据过程参数最终计算确定所有器件的参数。下面通过实例详述设计过程。实例 隔离驱动 继电器步骤:确定电路形式，确定需要计算的参数。隔离电压 。速度要求：低速。隔离类型：低速控制信号隔离，需要一定的驱动能力。图中需要确定电源的值以及计算一个电阻的值。步骤：确定电源继电器 的规格：■CoilRatingsRatedvoltage5VDC9VDC12VDC24VDCRatedcurrent80mA44.4mA33.3mA16.7mACoilresistance630202Q360Q1:440QMustoperatevoltage75%.max.ofratedvoltageMustreleasevoltage5%min-olratedvoltagefulaxlmumvoltage150%ofratedvotlageat23*C光耦:manDCForwardCurrentGainhFE=5,IC=0.5mA一manDCForwardCurrentGainhFE=5,IC=0.5mA一10k一一Collector-Eni让terBreakdownVoltageV(BR)CEO【C=1mA30一一VCollector-BaseBreakdownVoltagev(BR)CBOIq-100/zA30—一VEmitter-CollectorBreakdownVoltagev(BR)ECOIg=100/jA5一一V因此可设计次级电源，可保证继电器线圈电压为0远小于光耦击穿电压如果电源电压较高，，因继电器 允许的最大工作电压为 倍的额定电压，需要串入合适的电阻，使继电器的工作电流和电压有足够的余量。步骤：估算光耦的光耦（是饱和压降最大值）步骤：估算最坏情况下的降额是要达到这样的目的：在外界的最坏情况下，以及器件离散性的最坏情况下，能够保证继电器得到足够的吸合电流。也就是估算一个 在最坏情况下的最小值，通过这个最小值得出能够让电路可靠工作的足够大的最小值： （参考规格书，下图），估算此时约需要,即至少应C(GTR)CollectorOutputCurr&nt*11lF-10mA;VCE最小值： （参考规格书，下图），估算此时约需要,即至少应C(GTR)CollectorOutputCurr&nt*11lF-10mA;VCE=10V5lB=04N32,4N3350(500)大于，否则可能会因为器件的离散性而不能保证可靠工作。对温度降额:mA(%)假设最坏情况器件周围环境温度为度，则上图对应°C曲线 会下降到归一化值（ C）的倍,C下降为归一化值的 倍。估算CA时约下降为归一化值的倍左右。所以 温度降额后的最小值应是;进一步对 寿命降额，把此值再所以 温度降额后的最小值应是;进一步对 寿命降额，把此值再乘（或）5对寿命降额后，当光耦工作时间过长，导致 降低到初始值的时（或时），仍能够保证后级可靠工作】,C)时），仍能够保证后级可靠工作】,C)步骤：计算的取值原则为不小于实际的集电极电流除以上述计算出的 值。即 （ ）步骤：的。规格书：InputForwardVoltage*lF=10mA一1.21.5V通过规格书得知 时，在温度范围内，正向压降约 之间。步骤：计算值。其中：为 电源电压，为 正向压降， 为控制信号“”电平的电压大小，我们假定为 。得出：= ） 欧；我们取 电阻即可（ ）。【注意事项】 达林顿管的高 以及暗电流DETECTORhFEDCCurrentGainVCE=5.0V,lc=SOOpA—5000—因继电器线圈的直流电阻一般都较小（以下），的微弱暗电流（°C）造成继电器误动作的可能性较小。但若使用驱动具有一定阻抗的器件或者对电流敏感的器件（如高亮），布线中应注意基极与其他信号线保持足够距离，并避免光的直接照射。避免悬空的基极拾取微弱电流或者器件封装上的光照造成暗电流增大引起误动作或逻辑错误。实例 串口通信隔离（ 1TKT21037JLLL04NCVCC+ENTKT21037JLLL04NCVCC+ENOUTNC&ND6N137VCCEHOUTHC+GNDHC6N137lw'16V, |C4T1+w-i|_|冷■步骤：确定电路型式，确定需计算的参数速度要求：满足 波特率；驱动能力：无特殊要求。因 的开关时间特性均未超过微秒,远小于 的位速率，只要设计合理就能够保证速度。电路型式如上图，需计算的参数： 限流电阻阻值；输出上拉电阻阻值。步骤：估算的、。RecommendedOperatingConditionsParameterSymbolMinMaxUnitsInputCurrent,.LowLevelIfl0250iI1「池F=i f-aQ；ll4Cl^-l上'InputCurrent,.HighLevelIrh*6.aLED电齧iL虽牯仁ibmA-z，rynri/VSupplyVoltage.OutputVCC次级i吊杲命牟片a-EnableVoltage,LowLevelVel4.丿£H人1E传能,—l/那J-lx.Z'J|L.■»vJ不拥寸S8\ZEnableVoltage,HighLevelVehIXTfE1—1 J1K'»■L2. 1 -HS..舟』併冷』冀山亚.g3717-口戻LowLevelSupplyCurrentTa~l.xHU-40映］|口匸山仁冷rA+85l吋門"■.典」£