假设副边要饱和导通,那么需要Ic'
=(3.3V-0.4V)/1k=2.9mA,大于电流通道限制,所以导通时,Ic会被光耦限
制到1.7mA,Vout=Ro*1.7mA=1.7V
所以副边得到的是1.7V的方波。
为什么得不到3.3V的方波,可以理解为图.1光耦电路的电流驱动能力小,只能驱动1.7mA
的电流,所以光耦会增大副边三极管的导通压降来限制副边的电流到1.7mA。
解决措施:
增大If;增大CTR减小Ic。
对应措施为:
减小Ri阻值;更换大CTR光耦;增大Ro阻值。
将上述参数稍加优化,假设增大Ri到200欧姆,其他一切条件都不变,Vout能得到3.3V
的方波吗?
重新计算:
If=(Vi-1.6V)/Ri=17mA副边电流限制Ic'
wCTR*lf=8.5mA,远大于副边饱和导通需要的电流(2.9mA),所以实际
Ic=2.9mA。
所以,更改Ri后,Vout输出3.3V的方波。
开关状态的光耦,实际计算时,一般将电路能正常工作需要的最大Ic与原边能提供的最小
If之间Ic/If的比值与光耦的CTR参数做比较,如果Ic/IfwCTR说明光耦能可靠导通。
一般会预留一点余量(建议小于CTR的90%。
二、CTR受那些因素影响
上一节说到设计时要保证一定CTR余量。
就是因为CTR的大小受众多因素影响,这些因素之
中既有导致CTR只离散的因素(不同光耦),又有与CTR有一致性的参数(壳温/If/寿命)。
(1)光耦本身离散性:
下图是2801不同批次光耦的CTR手册上一般给的都是lf=5mA时
的值,可以看到不同DATECOD的有差异,但CTR直都在规格(130-260)范围内。
J16(2009年第16周生产)的光耦在室温下的CTR
IF(VCE=5V
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
5mA
177%
187%
183%
177%
178%
170%
177%
J25(2009年第25周生产)的光耦在室温下的CTR
IF(VCE=5V
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
5mA
166%
147%
174%
174%
173%
210%
196%
同样以8701为例,CTR在Ta=25C/If=16mA时,范围是(15%~35%)
说明8701这个型号的光耦,不论何时/何地,任何批次里的一个样品,只要在Ta=25C
/If=16mA这个条件下,CTR是一个确定的值,都能确定在15%~35%以内。
因此计算开关光耦的导通时,要以下限进行计算,并且保证有余量。
计算关断时要以上限。
(2)温度影响:
以8701为例
Ta=25C条件下的CTR下限确定了,但往往产品里面温度范围比较大,比如光耦会工作
在(-5~75C)下,此种情况下CTR怎么确定?
还是看8701的手册:
有Ta-CTR关系图:
Normal!
-atTA=
VCC=i
zedto1j
25GIF
.5VVO二
=16mA"
-04V
71y
L6
1.4
1.2
1.0
0.B
0.6
0.4
0.2
0.0
-50-250255Q75100
AmbientTemperature,Ta(C)
从图中看出,以25度的为基准,在其他条件不变的情况下,-5度下的CTR是25度下的
0.9倍左右,75度下最小与25度下的CTR持平。
所以在16mA/(-5~75C)条件下,8701的CTR最小值是15%*0.9=13.5%
(3)原边电流IF影响
某一批次的2801CTR值:
IF(VCE=5V
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
1mA
88.3%
90.48%
90.57%
86.56%
87.1%
85.12%
87..39%
2mA
133%
130%
130%
125%
135%
122%
126%
3mA
150%
154%
154%
147%
151%
139%
150%
5mA
177%
187%
183%
177%
178%
170%
177%
IF不同,CTR不同,且差异非常大。
此时CTR计算可参考(以8701为例):
假设如果实际的If是3.4mA,那么如何确定CTR在lf=3.4mA/Ta=(-5~75C)条件下的最小CTR值。
查看8701的If-CTR曲线。
图中给出了三条曲线,代表抽取了三个样品做测试得到的
If-CTR曲线,实际只需要一个样品的曲线即可。
ForwardCurrent.If(mA)
注:
此图容易理解为下限/典型/上限三个曲线,其实不然。
大部分图表曲线只是一个相对关系图,不能图中读出绝对的参数值。
计算:
选用最上面一条样品曲线,由图中查出,
If=16mA时CTR大概28%
在If=3.4mA时CTR大概在46%3.4mA是16mA时的46%/28%=1.64倍;
所以,在lf=3.4mA/(-5~75C),CTR下限为13.5%*1.64=22.2%
(4)VCE的影响
lc,lf,Vce关系曲线:
由图表可看出:
Vce必须大于一定电压,lc才能达到最大,CTR值才会大;设计,选型,替代注意:
Vce在电路应用中,保证设计有一定的电压值,否则lc将较小,CTR将较小,
般设计Vc应大于3V。
(5)寿命影响
LongtermCTRdegradationexample
lime(Hr)
由图表可看出:
工作时间越长,CTR值越小;工作温度越高,CTR值越小;工作电流越大,
CTR值越小;在设计选型时,在规格书规定的工作环境温度下,为了保证产品足够寿命,需要选取合适的工作电流。
通过以上影响CTR的因素,离散性、温度、If、VCE寿命,这几个因数综合起来,结
合电路设计的功耗,确定If,根据现场使用环境确定温度范围,确定CTR值的下限。
根据
CTR值的下限及传输速率要求,确定原边及副边的负载电阻。
光耦的传输特性
前面介绍光耦的参数时介绍涉及传输特性的几个参数,上升时间Tr(RiseTime)&下
降时间Tf(FallTime),传输延迟时间tPHL及tPLH。
这几个参数在不同光耦厂家的定义略有不同,但表征意义基本相同。
由于光耦自身存在分布电容,对传输速度造成影响,光敏三极管存在分布电容Cbe。
Junctioncapacitancecausingthesignaldelay
由于CB间接电容的存在,造成输入与输出信号间有个延迟时间,部分光藕在使用中将B极
与地间加个电阻来减少延迟时间;
设计,选型,替代注意:
在设计选型时,要了解光耦在信号传输时,有时间的延迟问题,因此选型根据产品的工作频率来选定不同传输速率的光耦,部分可通过调整电阻来改变频率响
应;
、光耦的传输延时tPHL及tPLH:
以8701为例
Ciisapproximately15pF^hichincludesprobeandstra>wiringcapacitance
PirflpggatiMDel町Time-
W-
I—16mA=V.RL=22k£l.
C.u15pF
05
08
PropagationDelayTimefLt
0.6
12
涉及到两个参数:
光耦导通延时tphl和光耦关断延时tplh,以8701为例:
在lf=16mA/lc=2mA时候,导通延时最大1.2uS,关断延时最大0.8uS。
所以用8701传递500k以上的开关信号就需要不能满足。
F图是一个实测的延时波形(ch4原边(红),ch2副边(绿))
对于tp参数的设计更应该考虑余量,因为tp参数也受其他因素影响较多。
(1)受温度影响
8701的Ta-lf特征曲线:
温度升高,开关延时都会增大。
NORMALIZEDPROPAGATIONDELAY
TIMEvs.AMBIENTTEMPERATURE
(2)受原边If大小影响
8701的tp-lf特征曲线:
If增大,导通延时减小,关断延时增大。
PROPAGATIONDELAYTIME
FORWARDCURRENT
ForwardCurrent,If(mA)
(3)受副边Ic大小影响
8701的tp-RL特征曲线:
RL增大,关断延时增大明显。
LoadResistance,Rl(Q)
针对具体电路的特点,计算最大延时时也是采用与CTR—样的方法,通过器件资料给
定特定环境下的准确范围,然后逐一通过三个曲线确定具体电路下的光耦最大延时。
二、光耦的上升时间Tr(RiseTime)&下降时间Tf(FallTime)
在某些厂家的光耦手册中,并没有TPHL和TPLH的数据,只有Tr、Tf、Ton、Toff的概念,
此时分析光耦的传输特性可与上文中传输延时分析方法一致。
导通和关断的延时主要是受制于输入电流和输出负载限制。
以下是台湾亿光光耦手册给出的数据:
Figure10.SwitchingTimeTestCircuit&Waveforms
Figure8,SwitchingTimevsLoadResistanee
LoadResistance,R(kn)
测试条件为lf=16mA,实际设计中输入电流由于功耗的限制不可能这么大,因此需要找厂家
确定我们选定的If值时的经验曲线。
此时分析光耦的传输速率需计算ton和toff。
当If增大时,导通延时减小,关断延时增大。
例如LZ是9600通讯,最短脉冲时间=104uS。
信号经过光耦之后,高低电平的时间参数不能有太大的变化,取20%卩20uS。
看参数定义,必须同时满足tON<20uS,tOFF<20uS。
开关光耦的参数计算再确定好输入和输出的电压后,就是输入和输出负载电阻的计算。
确定两个负载电阻,首先计算CTR值的在各种影响因素下的下限值,主要是If、全温度范围、
离散性、寿命。
确定好CTR下限值后,再确定光耦的传输速率,根据传输速率的要求,确定输出端的负载电阻。
根据输出端电阻计算输入端负载电阻。
由于厂家手册给出的曲线一般
都是在IF较大的情况下的数据,但在实际设计中考虑到功耗要求,If值一般较小,因此需要
同原厂技术人员沟通下,给出一个经验值来供我们参考计算。
再计算后相关参数后,最好进
行相应的实测,验证自己的计算结果。