光耦隔离电路

1、光耦隔离电路光耦电路设计目录简介：3输入电路（原边）3输出电路（副边）7电流传输比：8延时：10简介:外部信号可能是电压、电流或开关触点，直接接入电路可能会引起瞬时高 压、过压、接触点抖动等。因此在外部信号输入之前，须经过转换、保护、滤 波、隔离等措施。对小功率信号处理时：通常简单采用RC积分滤波或再添加门 电路；而在对大功率信号处理时：输入与内部电路电压或电源电压的压差较大, 常常采用光电耦合器来隔离。使用光耦设计隔离电路时，特别要注意电流传输比的降额，驱动电流关断 和开通的大小，与延迟相关的负载大小及开关速率。在进行光耦输入电路设计 时，是以光耦为中心的输入电路与输出电路（即原边与副边的电

2、路），光耦的工 作原理就是输入端输入信号Vin,光耦原边二极管发光使得光耦副边的光敏三极 管导通，三极管导通形成回路产生相应信号（电压或者电流），这样就实现传递 信号的目的。在进行光耦输出电路设计时，计算公式与输入部分相同，同时需 关注电平匹配、阻抗匹配、驱动功率、负载类型和大小。以下针对光耦输入电 路设计为例。输入电路（原边）:针对于光耦原边的电路设计,就是设计发光二级管的驱动电路。因此须首先要了解光耦的原边电流If和二极管的导通压降匕等相关信息。根据必要的 信息来设计LED驱动电路，和通常的数字输入电路一样，输入端需要添加限流 电阻对二极管起保护作用。而这个电阻的阻值则是此处的关键，对于图

3、1的限 流电阻R的阻值可以根据下面的公式计算:VIN基于对抗干扰能力的考虑，通常在靠近光耦的原边并联接入一个电容进行 滤波。并且RC电路的延迟特性也可以达到测试边沿，产生硬件死区、消除抖动 等益处。同时在数字电路中其延迟特性可能会影响到信号的同步问题（尤其是 通讯、异步电路、使能控制等），因此要充分注意电路的时间约束。根据设计要求，为了确保输入端和公共端的电压差Vin在4V以下时，输入无效，光耦断开。为此我们在输入端与公共端之间并接一个电阻避免输入无效 时造成光耦原边的误导通。此并联电阻的采用使得光耦原边二极管两端的电压受限，当输入电压Vn值较小时，并联电阻上的电流小于“二极管导通电压W与并联

4、电阻R的比值”，则光耦的原边电压被电阻钳位，由该并联电阻两端的电压决定；而当输入端与 公共端的电压Vn足够大时，并联电阻上的电流大于“二极管导通电压M与并联电阻R的比值”，该并联电阻两端的电压被光耦原边电压钳位，就保持为二极 管的导通电压。图2 ,典型输入电路A 11_ _ _ L _ _r_.-.a. f- _ L _ L i j_i _l _二.j_. l _r = l.- j. _ L -_ L _ _r i _ ji_ _ L r l _l _ j一一二._ l - _ _ _ 卜一._ L _ jt.-i-._ L _ j u . j. - - . l _ j_ .故光耦输入电路通常

5、如图2包含限流电阻Rin、并联电阻Ri、滤波电容Ci、 光耦原边二极管等组成。但有时会应用二极管的单向导电性，以求得到单边的 快速响应特性；若双向都放置二极管则可以提高瞬态响应。输入电路中元器件相关参数可以通过下面的公式计算得出:Vin VfVf _=I FRin R 2 Rin * Clf :RC滤波的截止频率Rin的值，而限流电阻Rin的大小又关系参数确定中至关重要的是限流电阻到光耦原边二极管的导通电流If、Vf和并联电阻Ri；这些参数的确定跟光耦的 技术参数是息息相关，以 PS8701为例：ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Ta = 25 )ParameterSym

6、bolConditionsMIN.TYP.MAX.UnitDiodeForward Voltage*If = 16 mA1.722由上表，取光耦原边二极管导通压降的典型值1.7V为Vf;100 Ta = +100 C y 至 10.+50gC-+25:C E一-OEun。P.IEMJR0.011,01,2.02.22.4Forward VoEtage Vf (V)从上图得，当 VF=1.7V、Ta= (-5C75C)时，I f 约在 3mA 8mAe 围内(If 较大时对CT做响较大)；8070605040302010151000.550Forward Current If

7、 (mA)I f在1mA- 8mAe围内，CTRfW寸较高。在采用数字光耦隔离输入，当输入信号的电压在4.0V以下时，判断为断开状态(OFF);当输入信号电压大于18.0V时，判断为闭合状态(ON ,在4.0V 18.0V之间其信号状态为不确定则可以根据式大概推算出限流电阻Rn范围为1.9K5.3K （VF取2.2V） c初略取一个值 R=3.3K,这些参数一般在设计电路时， 以已有电路的元器件参数 为基础再通过计算调整至相关技术参数满足最新设计要求。通常这些参数的变 动范围是比较大并且在确定参数时是要考虑一定的余量。输出电路（副边）光耦副边一一接收光敏三极管。在这部分电路设计时必须了解此三极

8、管的 基本参数：集电极电流IC和集电极到发射极的电压V CE。100246810 12 14 16 18 20Output Voltage Vo (V)针对于光耦副边的接受光敏三极管的电路设计通常有两种设计方案：一种是在三极管的发射极串联电阻 Rl,再从发射极引出Vout （如图3）;另一种是在三 极管的集电极串联电阻 Rl,再从集电极引出Vout （如图4）。电流传输比:C TR= I c/ I F通过串联电阻R可以使得光耦截止时能够保证其副边的输出稳定。为了得 到较好的输出波形通常在光耦的副边应用 RC电路进行滤波（延时）。信号不可 避免的会出现失真情况，因此在 RC电路后使用施密特触发器

9、再次对付变输出信 号加以处理。故在确定光耦副边输出电路参数时必须考虑到触发器的门限。在光耦隔离电路中输入信号和输出信号实质上是分开的，而它们之间的实 质关联是通过电流实现的，即原边二极管前向电流If和副边三极管导通电流Ico而I F和I C是通过电流传输比（CTR直接关联的，以此实现输入与输出的 关联。这两种设计方案各有不同，图 3中电路在理想条件下，输出波形与输入波形基本相同相位不发生变化，可通过下式计算输出量： VOut = I E * R L 图4中电路在理想条件下，输出波形与输入波形在相位相差180O ,可通过下式计算输出量：VOut = Vcc-I C * R L。Vouto Vou

10、t根据光耦的规格书可以得到 CTR的范围值，但CT论受到许多因数的影响, 因此在电路设计时必须保留一定的余量。由此一旦知道I c,就可以通过上式 计算出I f,从而可以确定输入电路的相关参数。以PS8701为例：52-.6.42.O.82.4 1 1 1 10.0.0.Ambient Temperature Ta(*c)从图中看出，以25c为基准，在其他条彳不变的情况下，-5C的CTR勺是 25c的0.9倍，75c时最小值基本与25c持平。由此可以初略计算出 Ta=(-5 C 75c ),I f为16mA情况下，CTR贵小值为0.9*15%=13.5%o同理得CTR1大值为 1.1*35%=3

11、8.5%。Forward Current If (mA)o()0:10由图可知CTR受I f的影响：假设I f =4mA那么如何确定 CTRft Ta= (-5C75C)条件下的最小值。对 照上图中三条曲线是三个样品测试曲线截取最上一个样品的曲线图。从图中可 以看出，lF=16mA寸 CTR勺为 30% 而 I F=4mA寸 CTR为 45% 故 4mA 16mA的 45%/30%=1.5倍。所以，在 、=4mA/ Ta= (-5 C75C) , CTRT限名勺为 13.5% * 1.5=20.25%o 同理 CTR限名勺为 38.5% * 1.5=57.8%根据输出电路后端应用的施密特触发器

12、门限，以74LVC14为伤J: Vh= 2V ,V l=0.6V,在输出采用图4电路时，为确保触发器的工作状态，故在Vl的基础上降额至0.4V,所以光耦副边三极管压降VCe=0.4。则在电阻 RL的压降为2.9V(VC=3.3V),由此根据和得到：Vcc-0.44* 20.25%=3.58KR l 3.58K(此处考虑到R对CTR勺影响取R=4.7K)同时由下图也可以基本上确定 R的值在此范围内SOA 3J53号 0延时:在确定电路参数时，延时是必须关注的。如果说 CTR是关系到信号能否传 递的量，那么延时就是关系传递多快的信号的量。因此延时必定会影响到电路 的频带。以PS8701为例：在If

13、 =16mA / Rl = 2.2K 时，关断延时最大 0.8us , 导通延迟最大1.2us,所以彳输500KHz以上的开关信号则PS8701不能满足要求,Propagation Delay Time 阳 T Lf1tPMLIf = 16H1A.Vcc = 5V. Rl = 22 HLCl = 15 pF0J50.8Propagation Delay Time (Lt HftPLH0.6124Normalized to 1.0at Ta = 25 CIf = 16 mAt Vcc = 5 V, Rl = 2.2 k2E 二固 0 UQ=sEdod P n-eejonAmbient Tempe

14、rature Ta (6C)在Ta=(-5C75c)内随着环境温度的增加 Tphl、Tplh也有所改变，在75c的Tplh 是25c时的1.7倍,75c时的Tplh最大值为1.2*1.7=2.04us 。而Tphl的最大值约 为 1.1*0.8=0.88us。Forward Current If (mA)据此图根据上面推导原理，可以得出 Tplh在lF=4mA寸(此处按5mA隹)是 If =16mA 的 0.4 倍；而 Tphl 则是 2.7 倍。所以 Ta=(-5 C 75c )/I F=4mA/R=2.2k 时，Tplh最大值为 2.04*0.4=0.816us ,而 Tphl的最大值约为

15、 0.88*2.7=2.13usLoad Resistance Rl(2)Ta=25C/I f =16mA时，在 R 为 4.7K 时 Tplh=1us、Tphl=0.45us ;在 RL 为 2.2K 时 TplH=0.6us、Tphl=0.52us；故 Tplh在 R=4.7K 时是 R=2.2K 的 1.7 倍，而 Tphl则 为0.86倍。所以在 Ta= (-5C75C) / I f =4mA R_=4.7K 时 ，Tplh 的最大值为 1.39us , Tphl的最大值为1.83US。总延迟时间约为2.22us,故上限频率为fo=1/2.22=450.45KHz。PS8701高速光耦

16、电路参数计算：输入规格：Vin-max=24*1.1=26.4 ； Vin-min=24*0.9=21.6；频率：f0 = 80KHz限流电阻：Rin= 3.3K光耦自身规格: VF (max) =2.2 V二极管导通压降：Vd = 1 V并联电阻：Ri = 2K=4.173mAVin _min - Vf (max) - 2VdVf (max)I F-min =RinRiVin 一 max -Vf (max) - 2VdVf (max)I F-max = -=5.627mARinRi由 PS8701 的 DATASHEET 可知，If =16/Ta=25C时的 CTR= 0.150.5 ,根 据上面“电流传输比”部分的说明可得到If =4.1735.627mA / Ta =(-5 C 75c)时，CTR=20.3%57.8%由于后级74LVC14的门限电压Vl =0.6V,降额至0.4V。结合