光耦隔离(驱动)电路-v1.0..

光耦隔离（驱动）电路

（V1.0）

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）电路的设计步骤与方法，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目硬件开发过程、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optical coupler/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几个方面的应用：

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IO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）：6N137及其变种HCPL06系列等。

3、达林顿输出型：4N30、4N33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。

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

图2，光耦原理示意图

图3，带基极引脚的光耦原理示意图

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6，输出带控制的光耦示意图

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）isolation voltage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）。

（2)Topr ,operating temmprature工作温度：器件正常工作所允许的温度范围。是指环境温度。当温度上升，器件带载（承受功耗）能力下降。

TPL521的工作温度范围是环境温度-55~+100度。

（3）IF，Forward Current of LED，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。

TLP521-1的LED正向电流允许最大值为70mA。

（4）VR，reverse voltage of LED，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。

（5）PD(C/T)，power dissipation,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)。

TLP521在25度环温时允许的最大功耗为0.25W。

（6）VCEO, collector to emitter voltage of phototransistor

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）VECO ，emitter to collector voltage of phototransistor

当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大E-C电压。

如，TLP521的VECO仅7V，CEO为55V。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，collector current of phototransistor,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）CTR，Current Transfer Ratio，电流传输比。当VCE固定，光电管Ic与If之比。

CTR = (IC /IF) X 100%

（10）RS，isolation resistance,初次级绝缘电阻。

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 ， isolation capcitance，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。由于此电容的存在，当存在强烈干扰或者输入、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 ，forward voltage of LED,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一定时，环温越高，VF越低。

（12）IR，Reverse current of LED,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。

（13）CT，teminal capacitance of LED，发光管两端寄生电容。当高速应用时，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。

（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。

（15）Vce(sat)，光电管饱和压降。

开关特性参数，主要包括开启时间、关断时间等