光耦隔离驱动设计及计算解析.docx
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光耦隔离驱动设计及计算解析
光耦隔离驱动电路设计及计算
经验案例
案例名称
光耦隔离驱动电路设计及计算
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关键词:
光耦隔离驱动传输比(CTR)IfIc
【问题描述】:
•
【问题分析】1
【优化方案】1
【收获】8
【问题描述】:
监控类产品中中经常要用到光耦隔离电路,例如CAN、485,232等通信电路,或者是信号输入输出
隔离电路等。
我们在设计中要根据光耦的几个主要参数,仔细计算光耦原副边的电路参数。
否则可能导致电路功能异常。
下面就某个市场问题展开分析。
山东基站的IPLU0006出现如下问题,将IPLU0006的串口6(485通道)与智能设备IPLU1501相连,前置机中显示IPLU1501往往通讯正常一段几分钟之后,即通讯异常。
而将设备断电重启后,通讯正常一段时间后设备又会出现通讯异常,如此反复。
【问题分析】
对现场寄回来的样机进行分析,发现是由于电路设计是裕量不足引起。
具体分析如下:
①下图为RS485电路中前端的光耦隔离部分,其中红色选中部分为收发控制电路部分。
CPU发出的控
制信号经过缓冲驱动后经光藕隔离,控制通信芯片的收发控制端。
这里原边上拉电阻为2k门,副边上拉电
阻为4.72。
(案例名称)
经验案例
当RTS2输出为低电平时(0.2V)时,光耦饱和导通。
ADM483的收发控制段被拉低,收发控制端一
直箝位在低电平而保持为接收状态。
当RTS2输出为高电平时(3.3V)时,光耦断开,ADM483的收发控
制段被拉高而保持为发送状态。
由于485为总线制,总线上可能有多个智能设备,所以对于同一时刻,总线上只能有一台设备处于发送状态,而其他的设备都处于接收状态。
对于485电路缺省状态,应该为接收状态,避免从机初始化过程
或故障时,影响总线的正常功能。
通过示波器对故障样机的各个波形进行测量,首先发现只有总线AB端只有主设备的数据发出,而从
设备没有响应。
检测收发控制端口的波形时发现,当其需要低电平将电路嵌位在接收状态时。
该电压较高
接近2V。
这会导致主设备一直处于发送状态,整个总线都会出现通讯异常。
说明光耦并没有工作在预想的饱和状态下,而是工作在放大状态。
设备断电一段时候后重启能够正常工作一段时间,是因为光耦的传输比受温度的影响比较大。
当设备刚刚启动时,系统温度还不是特别高,所以传输比CTR相对较大。
而工作一段时间后,温度上来后,传
输比CTR下降(经过计算此时的光耦传输比不到60%),光耦没法工作在饱和状态,副边电压升高,电路
工作不正常。
原有的电路计算如下:
Vce=0.2V,lc=(5-0.2)/4.7K=1.021mA,lf=(3.3-1.2)/2K=1.05mA
If是否满足要求:
Ifx=Ic/CTRmin=1.021mA/100%=1.021mA
If>Ifx
按照公司的降额规范,要审查集电极电压Vce和集电极的平均电流Icav应该满足75%的降额要求。
结论:
Pass
注:
CTRmin=100%
与物料品质部的同事沟通后,才知道光耦传输比虽然宣称范围是100%-300%,但其是在温度为25度,
If为5mA时的结果。
当温度升高,或是If为1mA时,其传输比会下降很多。
其测量的结果如下。
对于本次失效的PS2701,高低温下不同IF下的CTR测量情况如下:
(案例名称)
经验案例
正常品:
5mA
1mA
25C
200%
108%
58C
144%
74%
失效样品:
5mA
1mA
25C
158%
79.30%
45C
66.80%
58C
128%
45%
该光耦的datesheet中有如下资料:
NORMALIZEDCURRENTTRANSFERRATIOvs,AMBIENTTEMPERATURE
由上图可以得岀
①原边电流If与传输比CTR系数之间的关系如下
If电流
传输比CTR系数
1mA
0.57
2mA
0.77
3mA
0.88
4mA
0.96
5mA
1
②而光耦会工作在(-10〜60摄氏度)下,由Ta-CTR关系图可知,—10度时的CTF与25度下的CTF持平,60度时的CTR寸25度下CTR勺0.9倍左右。
但是物料品质部同事实测岀的结果表明却表明,CTF受温度的影响远不在
此。
58度时的CTF只是25度下CTR勺0.7倍左右。
可见CTF受温度的影响非常大。
结论
公司的降额指导书中提到如下两点:
A.因光耦传输常量分散性较大,在电路设计时一定要注意保证充分的设计裕量,一般是在电路设计计算时,取光耦传输参量上限值的100%和下限值的70%分别进行电路计算,要求电路计算合格。
光耦传
输参量包括有CTR、Ift、、tp等。
(案例名称)
经验案例
B.对于光耦模拟信号的静态工作点IF,—般要求大于1mA。
静态工作点太低接近死区,容易带来系
统温度特性差,光耦替代性差,电路对光耦批次性敏感等不良问题。
【优化方案】
以后我们在进行原理图审查时,应关注以下几点
1.计算得到的光耦的原边电流建议大于2mA。
2.计算时对于传输比CTR参数应该取下限值的70%进行计算。
3.对于PS2701系列的光耦,原边二极管取1.2V压降。
4.从控制芯片中输出的低电平电压取0.2V。
按照以上4点对于上面的电路进行计算,参考如下:
该电路为收发控制电路,光耦必须要有效的工作在饱和状态和截止状态。
Vce=0.2V,lf=(3.3-1.2-0.2)/2k=0.95mA原边电流应该大于2mA.
lc=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,
lfx=lc/CTRmin=1.02mA/(100%<0.7)=1.46mA
CTR是光耦运行的传输比,在设计中要满足上限100%,下限70%的降额要求。
If应满足要求:
If>Ifx
此处不满足该要求
结论:
Fail
注:
CTRmin=100%
更改方案将电阻R618更换为620欧姆,重新计算:
Vce=0.2V,If=(3.3-1.2-0.2)/0.62k=3.06mA
Ic=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,
Ifx=Ic/CTRmin=1.02mA/(100%x0.7)=1.46mA
CTR是光耦运行的传输比,在设计中要满足上限100%,下限70%的降额要求。
(案例名称)
经验案例
If应满足要求:
lf>lfx
此处满足该要求
结论:
Pass
注:
CTRmin=100%
3.3V
1
C506
电路分析
当TXD输出为高时,光耦无法导通,输出为高;
当TXD输出为低时,光耦导通,三极管Q52饱和导通,输出为低。
该电路中的光耦为高速光耦,从CPU这边传送过来的458信号要经过它传输出去。
这个电路算的上
经典电路,Vce的电压嵌位在4.3V左右,光耦工作在放大状态。
当总线上的传输速率较高时,能够达到较短的上升和下降时间。
1)导通后保证U58管脚4电压足够低,Vce(Q52)=0.2V,贝V
Ic(Q52)=(5V-Vce(Q52))/R512=(5-0.2)/2K=2.4mA
Ib(Q52)=Ic(Q52)/hFE=2.4/20mA=0.12mAhfe是三极管的放大倍数,数字电路,
要保证三极管Q52工作在饱和区,根据器件手册取最小值20;
2)光耦U58集电极电流
Ic(U58)=lb(Q52)+Vbe(Q52)/R515=0.12mA+0.7V/0.47K=1.609mA
3)期望的光耦输入电流IFX计算如下:
Ifx=Ic(U58)/(CTRmin*0.7)=1.609mA/(200%*0.7)=1.150mACTR是光耦运
行的传输比,在设计中要满足上限100%,下限70%的降额要求。
4)计算实际的输入电流If:
If=(3.3-Vf-0.2)/R518=(3.3-1.2-0.2)/0.62=3.065mA光耦导通时,原边二极管的压降Vf取
1.2V,原边电流应该大于2mA.
(案例名称)
经验案例
满足lf>lfx
结论:
Pass
1/8。
以最高波特率为
另外:
测试规范中要求上升时间tr和下降时间tf应该小于最高波特率下周期的
19200bps为例,周期为T=52us,因此上升沿tr和下降沿tf应该小于6.5us。
根据芯片手册得,Rl的电阻应该200欧姆左右。
SWITCHINGTIMEvs.
LOADRESISTANCE
200
LoadRssistanceRl(I2i
如上图中红色方框选中的电路等效电阻应该小于200欧姆。
简单计算其等效电路电阻:
IC约为If(U58)*(CTRmin)=3.065mA
Rl=0.7/3.065mA=233欧
电路分析:
当光电耦合器二极管端2脚为高电平时,光电耦合器不导通,RXD0输出为高。
当光电耦合器二极管端2脚为低电平时,光电耦合器工作在线性工作区,三极管Q41发射结正
偏,饱和导通,集电极输出为低,即RXD0输出为低。
(案例名称)
经验案例
计算:
1)导通后保证RXD电压足够低,Vce(Q41)=0.2V,贝y
Ic(Q41)=(3.3V-Vce(Q41))/R408=(3.3-0.2)/2K=1.55mA
Ib(Q41)=Ic(Q41)/hFE=1.55/20mA=0.0755mAhFE是三极管的放大倍数,数字电
路,要保证三极管Q41工作在饱和区,根据器件手册取最小值20;
2)光耦U8集电极电流
Ic(U8)=lb(Q41)+Vbe(Q41)/R407=0.0755mA+0.7V/0.47K=1.654mA
3)期望的光耦输入电流IFX计算如下:
Ifx=Ic(U8)/CTRMiN=1.654mA/(100%*0.7)=2.363mACTR是光耦运行的传输比,
在设计中要满足上限100%,下限70%的降额要求。
4)计算实际的输入电流If:
U41器件2脚连接在肖特级二极管D401上,当D401导通,压降最大为0.38V,U41二极管输入电流为
If=(5-1.2-0.38)/750=4.56mA满足原边电流应该大于2mA.
满足lf>lfx
结论:
Pass
注:
CTRmin=100%
(案例名称)
经验案例
FUSE
4~rx>
上图是个线形光耦使用的典型例子
光耦的工作电流控制在5mA(从5到10m舷光耦工作在线形区),外接电阻R11连接在VCC与压腔振荡器VCO输入端之间,电阻值的设定不能使光耦进入饱和状态,R1仁(12V-3.3V)/5mA=1740Q,选1.8K。
光耦MOC8102的Ctrr(传输比)是100%光耦Id使用考虑裕量选为8mA流过光耦LED的电流值由R20来限定,R20=5V-(Vu3+VLED)/8mA=138Q,选120Q。
(Vied取为1.4v,tl431的电压取为2.5v)如果在此范围内光耦不饱合,则光耦可以稳定的工作在线性区保证整个回路的控制。
【总结】
光耦的使用需要特别关注几个主要的参数,并且深刻理解Datasheet中所给的这些参数的前提条件(例
如25C环境温度;10mA负载电流;1KHz频率等等这些前提条件)。
我们在设计中必须要考虑到这些因素,确保电路从理论上分析,在任何规定之条件下都能够正常工作,而不是在仅仅在典型值下能工作或实际测试能正常工作。