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。