光耦隔离驱动设计及计算

1、G2-MINI 起机时，输出电压过冲问题分析3(向博08-1016).doc案例名称光耦隔离驱动电路设计及计算作者姓名作者部门写作日期联系电话关键词： 光耦 隔离驱动 传输比（CTR） If Ic 第 8 页 共 8 页（案例名称）经验案例【问题描述】：1【问题分析】1【优化方案】3【收获】3【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

2、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： 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2kW，副边上拉电阻为4.7kW。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

3、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

4、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, Ic=(5-0.2)/4.7K=1.021mA, If=(3.3-1.2)/2K=1.05mAIf是否满足要求:Ifx=Ic/CTRmin=1.021mA/100%=1.021mAIf>Ifx按照公司的降额规范，要审查集电极电压Vce和集电

5、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：正常品：失效样品：该光耦的datesheet中有如下资料：由上图可以得出原边电流If与传输比CTR系数之间的关系如下If电流传输比CTR系数1mA0.572mA0.773mA0.884mA0.965mA1而光耦会工作在（-1060摄氏度）下，由Ta-C

6、TR关系图可知，10度时的CTR与25度下的CTR持平，60度时的CTR时25度下CTR的0.9倍左右。但是物料品质部同事实测出的结果表明却表明，CTR受温度的影响远不在此。58度时的CTR只是25度下CTR的0.7倍左右。可见CTR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。B. 对于光耦模拟信号的静态工作点IF，一般要求大于1mA。静态工作点太低接近死区，容易带来

7、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, If=(3.3-1.2-0.2)/2k=0.95mA-原边电流应该大于2mA.Ic=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,Ifx=Ic/

8、CTRmin=1.02mA/（100%×0.7）=1.46mACTR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=3.06mAIc=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,Ifx=Ic/CTRmin=1.02mA/（100%×0.7）=1.46mACTR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>

9、;Ifx此处满足该要求结论: Pass注: CTRmin=100%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，则Ic（Q52）=（5V- Vce（Q52）/R512=(5-0.2)/2K=2.4mAIb（Q52）= Ic（Q52）/hFE=2.4/20m

10、A=0.12mA- hFE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）= Ib（Q52）+Vbe（Q52）/R515=0.12mA+0.7V/0.47K=1.609mA3） 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）=1.150mA-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。 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

11、 -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. 满足 If>Ifx结论：Pass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1/8。以最高波特率为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。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）3.065mARL0.7/3.065mA233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

12、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。计算：1） 导通后保证RXD电压足够低，Vce（Q41）=0.2V，则Ic（Q41）=（3.3V- Vce（Q41）/R408=(3.3-0.2)/2K=1.55mAIb（Q41）= Ic（Q41）/hFE=1.55/20mA=0.0755mA- hFE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）= Ib（Q41）+Vbe（Q41）/R407=0.0755mA+0.7V/0.47K=1.654

13、mA3） 期望的光耦输入电流IFX计算如下： IFX= Ic（U8）/CTRMIN=1.654mA/（100%*0.7）=2.363mA-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。 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 If>Ifx结论：Pass注: CTRmin=100% 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10mA该光耦工作在线形区），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，R11=（12V-3.3V）/5mA=1740,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=138,选120。（Vled取为