光耦隔离驱动设计及计算解析

关键词：光耦隔离驱动传输比（CTR）If Ic
【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/CTRmi n=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：CTRmi n=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,
2
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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:
5mA
1mA 25C
200%
108%
58C 144% 74%
5mA
1mA 25C 158% 79.30% 45C
66.80% 58C
128%
45%
该光耦的datesheet 中有如下资料:
NORMALIZED CURRENT TRANSFER RATIO
vs, AMBIENT TEMPERATURE
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 、I FT 、、tp 等。

5iiA 4JI A
3in A
2JI A I A
Ambient Temperature T A ( G)
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：CTRmi n=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% x 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。

(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：CTRmi n=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，V ce (Q52)=0.2V ，贝V
I c ( Q52) = (5V- V ce (Q52)) /R512=(5-0.2)/2K=2.4mA
I b ( Q52) = I c (Q52) /h FE =2.4/20mA=0.12mA ---------------------------- h
FE 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
I c ( U58) = l b (Q52) +V be (Q52) /R515=0.12mA+0.7V/0.47K=1.609mA
3)
期望的光耦输入电流I FX 计算如下：
I FX = I c ( U58) / (CTR MIN *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I F ：
I F = (3.3-V F -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
V F 取
.1uF
C508
GND
.022uF
1
R513
2
— --------
TXD2
U53
▽
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
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，R L 的电阻应该200欧姆左右。

SWITCHING TIME vs. LOAD RESISTANCE
200
Load Rss istance R L (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 I f ( U58) * ( CTR MIN ) = 3.065mA
R L = 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。

1/8。

以最高波特率为
Vcc -5V, =2 mA
(S.二
1WILI 匚
O ------
------- O Vcc
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。

计算：
1)导通后保证RXD电压足够低，V ce (Q41 ) =0.2V，贝y
I c (Q41) = (3.3V- V ce (Q41)) /R408=(3.3-0.2)/2K=1.55mA
I b ( Q41) = I c (Q41) /h FE=1.55/20mA=0.0755mA ----------------------------- h FE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
I c ( U8) = l b ( Q41) +V be (Q41) /R407=0.0755mA+0.7V/0.47K=1.654mA
3)期望的光耦输入电流I FX计算如下：
I FX= I c( U8 ) /CTR MiN=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I F：
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：CTRmi n=100%
第11页共8
（案例名称）
经验案例
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-（V u3+V LED ）/8mA=138 Q ,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。

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