光耦隔离驱动电路v10教材.docx

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光耦隔离驱动电路v10教材

光耦隔离（驱动）电路

（VI.0）

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）电路的设汁步骤与方法，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LI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opticalcoupler/optocoupler,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。

2.1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儿个方面的应用：

1、数字信号隔离：

非线性光耦，如6N137对高速数字信号如SPI、UART等接口的隔离。

2、模拟信号隔离传递：

线性光耦。

隔离&驱动：

普通输出型，如TLP521对10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。

2.2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：

1、通用型：

TLP521、PC817等。

2、数字逻辑输出型（高速、带输出控制脚）：

6C37及其变种HCPL06系列等。

3、达林顿输出型：

4X30.4\33等。

4、推挽输出型（MOS、IGBT驱动专用）：

TLP250、HCPL316等

艾诺公司截止到2010年12月常用光耦型号统计及分类见表格《艾诺光耦201012.XLS》。

2.4光耦基础知识

1、光耦结构及原理示意

光耦的主要构成部分：

LED（电-〉光）、光电管（光-〉电）、电流放大（Hfe）部分。

25

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MOS/IGBT驱动光耦）、双向光耦（LED部分为两个发光管反向并联，可响应交流信号）。

光耦内部结构示意图

图1,光耦一般原理图

1

HIP蚩

图2,光耦原理示意图

图3,带基极引脚的光耦原理示意图

25

图4,达林顿输出型（不带基极引脚）示意图

图5,达林顿输出型（带基极引脚）示意图

图7,IGBT/MOS专用光耦（内部带推挽）

图8,双向光耦（在公司应用极少，本文未包括相关内容）

2、光耦的主要参数简介

（1）VISO（或BVS）isolationvoltage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1分钟）。

IsolationVoltage|BVsj2500（AC,lmin；RH・M（Note1）]Vrms

（Note1）:

Deviceconsideredatwoterminaldevice:

LEDsidepinsshortedtogetherand

DETECTORsidepinsshortedtogether・

25

（2）Topr,operatingtemmprature2L作温度：

器件正常工作所允许的温度范圉。

是指环境温度。

当温度上升，器件带载（承受功耗）能力下降。

|OperatingTemperatureRange|~|-55-100|~~TPL521的工

作温度范圉是环境温度-55~+100度。

（3）IF,ForwardCurrentofLED,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If时，在环温25度下，保证不会因为功耗而损坏。

CHARACTERISTIC

SYMBOL

RATING

UNIT

TLP521-1

TLP521-2

TLP521-4

[ForwardCurrent

IF

70

50

mA

TLP521-1的LED正向电流允许最大值为70mA

（4）VR,reversevoltageofLED,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。

|二ReverseVoltage||5IV―|

（5）PD（C/T）,powerdissipation,环温25度时，光耦所能允许的最大功耗。

环温温度上升,此值下降（derating）□

RATING

CHARACTERISTIC

SYMBOL

TLP521-1

TLP521-2

TLP521-4

UNIT

3CollectorPowerDissipation?

（1Circuit）

Pc

150

100

mW

TotalPackagePowerDissipationPt250150

mW

§

CollectorPowerDissipation

Derating（1Circuit,Ta225©

dP/C

-1.5

-1.0

mwrc

TLP521在25度环温时允许的最大功耗为0.25Wo

（6）VCEO,collectortoemittervoltageofphototransistor当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大C-E电压。

（7）VEC0,emittertocollectorvoltageofphototransistor当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大E-C电圧。

25

Collector-EmitterVoltage

VCEO

55

V

Emitter-CollectorVoltage

VECO

7

V

如，TLP521的VECO仅7V,CEO为亦V。

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。

（8）

IC,collectorcurrentofphototransistor,光电管在环温25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PC以下。

如TLP521的集电极电流值限制为50mA（max）。

（9）CTRtCurrentTransferRatio,电流传输比。

当VCE固定,光电管Ic与If之比。

CTR二（IC/IF）X100%

（10）RS,isolationresistance,初次级绝缘电阻。

Resistance|R$|V$=500V,R・BL荃60%|—|10"f

如，TLP521测试500V绝缘（在小于60%湿度环境下），绝缘电阻大于10G欧。

Cs,isolationcapcitance,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。

山于此电容的存在，当存在強烈干扰或者输入、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。

（11）VF,forwardvoltageofLED,发光管流过正向电流时产生的压降，VF和IF构成发

光管的功耗。

一般温度一定时，IF越大，VF越大。

IF—定时，环温越高，VF越低。

25

FORWARDVOLTAGEVf（V）

（12）IR,ReversecurrentofLED,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。

h

ForwardVoltage

Vf

=10iriA

1.0

1.15

1.3

vI

ReverseCurrent

Ir

|VR=5V

—

—

10

"AI

（13）CT,teminalcapacitanceofLED,发光管两端寄生电容。

"1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。

ICapacitance|CtY=0,f=1MHz|—30—|pF|

（14）ICEO,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,

CE结承受电压越大此电流越大。

环温上升会导致此电流变大。

CollectorDarkCurrent

】CEO

Vce=24V

—

10

100

nA

VCE=24V,Ta=85°C

—

2

50

"A

（15）Vce（sat）,光电首饱和压降。

开关特性参数，主要包括开启时间、关断时间等

25

RiseTime

切

VCC=1°、1（）=2mArl=100a

—

2

—

FallTime

tf

—

3

—

Turn-onTime

—

3

—

"S

Turn-offTime

切ff

—

3

—

Turn-onTime

9n

RL-1.9kD（Fig.l）VCC-5V,Tp-16mA

—

2

—

StoragerI1me

4

—

15

—

"S

Turn-ofTTime

SFF

—

25

—

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SPI数字总线）、隔离&驱动（如驱动继电器、发光体等）的硬件电路。

3.1隔离/驱动电路的类别

1、数字总线隔离。

如使用6X137实现SPI、UART等隔离。

2、普通10数字信号隔离。

如使用TLP521实现测量板与主控板间普通10信号的隔离。

3、隔离&驱动。

如使用4N33实现主控板与继电器（开关量）板的隔离以及继电器的驱动。

3.2各类别控制电路的主要器件

1、串行数字总线隔离：

光耦、如需要增加晶体管。

2、普通10数字信号隔离：

光耦。

3、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）

4.1光耦器件设计中应用时应重点注意的参数及基本知识

（1）器件最大允许功耗（带载能力）随环境温度而降低

例如下图TLP521发光管功耗-环温图，如果器件环境温度有可能达到80度，则光电管部分静态功耗设计不应超过70mWo

25

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PD（发光管功耗最大值）、PC（光电管功耗最大值）、PT（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。

（2）VCEO与VECO要求

以TLP521为例，“TLP521光耦VCEO为55V,VECO为7V。

”

这要求设计者设计的电路，TLP52次级电源不能高于55V,实际中降额一半使用时，即不超过24V,这样可保证不会正向击穿。

VECO仅为7V,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1N4148（注意限流）或者正向串联1N4007保护，可保证不会反向击穿。

（3）CTR的稳定

影响CTR稳定的三个因素：

IF大小、环境温度、长时间工作（老化）。

详述如下：

A,LED正向电流IF大小

25

4N33:

CTR对IF,归一化曲线

设计发光管正向电流6mA左右时4N33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：

CTR温度特性的构成：

发光管的温度特性+光电管的温度特性二CTR的温度特性，如下图。

LED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CTR对温度的关系可被描述为近似先升后降的曲线。

25

Fig.6NormalizedCTRvs.AmbientTemperature（WhitePackage）

20

BO100

4N33：

CTR对环温的归一化曲线，

归一标准为If=10mA@25摄氏度（查规格表得此时CTR=500%）

设讣者应保证在器件实际工作温度范围内的最小CTR能够产生足够大的IC去驱动负载。

C,LED老化的影响:

例图：

NEC的PS2801：

CTR对工作时间

25

随工作时间的积累，光耦的CTR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LED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IF值，并与热源有足够间距能够延长光耦的使用寿命。

CTR设计原则总结:

1、根据需要的IC,计算合适的IF,得到合适的CTR。

2、温度范圉内最小的CTR所输出的集电极电流仍能保证可靠丄作，考虑到延长使用寿命的因素，这个值应至少再降额到7熬。

3、IF越小，老化越慢。

不要靠近热源。

（5）速度

影响光耦速度的三个因素：

负载电阻大小、光电管的hfe、光电管的结电容Ccb。

详述如下：

RL-SWITCHINGTIME

10CO

50Q

300

31030100300

LOADRESISTANCERL（kQ）

TLP521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。

TLP521负载电阻越大，ts及toff越大，这是因为CCB的放电回路时间常数越大，放电越慢。

因此提高速度主要有2个办法：

减小RL,减小结电容影响：

增大LED的发射电流，加快感光管的响应速度。

如光耦LED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2SC2712+2SA1037的方式。

此电路需要注意的是:

25

a注意晶体管的C、E不要接错成为共射电路。

共集电路（射随开关）因没有Miller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6门37的速度。

b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IC（max）/Hfe,故可以不加基极限流电阻。

如考虑到减缓边沿、抑制EMI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IC（max）/Hfe-＞错误、无响应的问题出现（如在3.3V电源下推挽电路基极吊接10K基极电阻去驱动6N13o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7,6N137隔离3MHz的SPI,出现读数错误现象）。

（6）直接驱动POWER-MOS或IGBT：

使用专用光耦

因功率MOS管Cgs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RC时间常数会导致MOS管关断很慢。

而普通高速光耦如6门37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。

PinConfiguration（topyiew）

1Ept_Us

TLP250内部结构

电路设计中若使用普通光耦直接驱动HOS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M0S对管，死区时间应该足够大，并增加推挽电路。

（7）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NEC公司：

《OptocouplerApplication》及相关文档，未经实验验证，在此列出仅供参考】

有些光耦（如4N33）封装带基极引脚。

基极的作用分儿种情况：

a.提高速度。

对于高速光耦，基极脚接电阻能极大减小toff,也就是能够提高速度。

25

b、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Hfe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EMC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，RBE提供结电容放电回路。

因CCB的存在导致toff变大，光耦关断变慢。

在器件外部基极到地接200k电阻，极大减小了toff,但输出电平也降低了，原因是RBE

分了一部分基极电流，B极净电流减小，IC=Hfe*IB变小，CTR下降，见下图（4\33规格书）：

25

Fig.10CT口vs.RBE（Saturat«d}<（WMePaelease）

可以根据规格书曲线的标示选取大一些的电阻如1'IOM欧，可得到合适的电流或电压。

B.稳定输出（削弱暗电流影响）

Fig.19DarkCurrentvs.AmblenitTemperatur-e

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儿BK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RBE来解决。

一般RBE可取儿白K到儿M之间。

C.削弱干扰，增强共模瞬变抑制能力

当干扰足够强（如ESD或者EFT实验）时，山于分布电容C1-2、结电容CCB的存在，被隔离一侧的干扰会耦合出现在另一侧引脚上。

25

测试电路，VIN为lOOOV/uS浪涌电压

改进方法1：

增加一个电容CBE二lOOpF

25

CBE=1C0pF

可以看到干扰信号的幅值变小。

改进方法2：

剪掉B极引出脚

上图：

剪掉B极引脚询，下图：

剪掉B极引脚后。

CutUMba筑pn（p（n6）

可以看到干扰信号的宽度变窄。

某些高速光耦如6N137,本身具有对这种干扰的抑制能力，其规格书中一般会给出Common

ModeTransientImmunity参数，见下图:

25

CommonModeTransient（T\s25°C>IVcd=S0V?

（Peak）

immunity（atOutputHigh（If■0mA.Vqh（Min.）■2.0V）

Lev°）6N137.HCPL-2630（R.■350H>

HCPL-2601,HCPL-2631（Fig.14）

ICMhI

5000

10.000

10,000

Wps

HCPL-2611IVqmI=400V

10.000

15,000

CommonModeTransient（RL=3500）（1==7.SmA,Vql（Max.）=0.8V

!

mmunity

icmli

10,000

V；ps

HCPL-2601,HCPL-2631（TA=255C}（Naie11）（Fig14）

5000

io,aoo

HCPL-2611（Ta=25cC）IV^I=403V

10.000

15,000

10.CMh・Themaxmumtolerablerateofriseoftnecommonmoaevoltagetoensuretheoutpu：

willremaininthehighs:

ate（i.e.・Vq2.0V>.Measuredinvoltspermicrosecond（V/ps）.

11・CML-Tnemaximumtoerabterateofriseofthecommonmodevoltagetoonsuretheoutputwillremain：

nthetowoutputstate（i.e..Vquj-c0.8V）.Measuredinvoltspermicrosecond（V/ps）.

（摘自6N137规格书）

Fig.14TestCircuitCommonModeTransientImmunity

共模瞬变抑制能力的测试方法（摘自6N137规格书）

（8）CE对光耦隔离距离的要求：

CE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

CE认证的设计，需要注意以下2点：

A,光耦器件下方（两引脚之间）不能有走线。

B,应选用引脚间距大于6毫米的插件光耦。

（如选用贴片需经过验证方确认）。

（9）驱动（器件）的默认状态：

驱动继电器、MOS管、隔离的10信号应注意默认状态问题。

设计者注意检查开关机、异

25

常条件下信号的默认状态下的可靠性。

4.2光耦隔离（驱动）电路设讣过程与实例

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）；

汁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CTR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6N137）输出是数字逻辑，未给出明确的CTR,可以根据给出的推荐丄作参数设计电路。

（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4N33隔离驱动G5SB-14继电器

步骤1：

确定电路形式，确定需要计算的参数。

隔离电压2500V/lMINo速度要求：

低速。

隔离类型：

低速10控制信号隔离，需要一定的驱动能力。

25

图中需要确定V2电源的值以及计算一个电阻R1的值。

步骤2：

确定V-2电源

继电器coil的规格：

■CoilRatings

Ratedvoltage

5VDC|9VDC

12V0C

24VDC

Ratedcurrent

80mA444nA

333mA

16.7mA

Coilresistance

63Q|202Q

360Q

woo

Filustoperatevoltage

75%max.ofratedvdiage

Filustreleasevoltage

5%mnofratedvotags

Maximumvoltage

150%ofratedx>taoeat23-C

光耦:

30Vo

如果电源电压较高，，因继电器COIL允许的最大工作电压为1.5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