光耦隔离设计指南-v1.0

TLP250 内部结构 电路设计中若使用普通光耦直接驱动 MOS 管，只能在频率很低或无频率要求（仅低速控 制用，非高频开关）的情况下使用；如果是使用普通光耦直接驱动 MOS 对管，死区时间应该 足够大，并增加推挽电路。
（7）光耦输出端的基极： 速度问题、 暗电流导致的输出错误、干扰问题的可选解决途径。 【注 意：本小节的内容主要来自 NEC 公司： 《Optocoupler 验证，在此列出仅供参考】 有些光耦（如 4N33）封装带基极引脚。基极的作用分几种情况： a、提高速度。对于高速光耦，基极脚接电阻能极大减小 toff，也就是能够提高速度。 Application》及相关文档，未经实验
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：
图 2，光耦原理示意图
图 3，带基极引脚的光耦原理示意图
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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） 。
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a 注意晶体管的 C 、 E 不要接错成为共射电路。共集电路（射随开关）因没有 Miller 电容效应，具有更好的频率特性，不会因这部分电路的速度限制了 6N137 的速度。 b 因共集开关电路的基极电流最大值被电路型式自然限流为 IC（max）/Hfe，故可以不加 基极限流电阻。如考虑到减缓边沿、抑制 EMI 的因素需要在源端基极串接电阻，设计者应保 证串电阻后基极电流不能小于 IC（max）/Hfe->错误、无响应的问题出现（如在 3.3V 电源下 推挽电路基极串接 10K 基极电阻去驱动 6N13。过大的基极电阻会导致：基极电流降低->射极 电流降低->光耦发光管电流不够->速度降低 7， 6N137 隔离 3MHz 的 SPI， 出现读数错误现象） 。
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
公司截止到 2010 年 12 月常用光耦型号统计及分类见表格《 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。
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。
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Fra Baidu bibliotek
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
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4N33：CTR 对环温的归一化曲线， 归一标准为 If = 10mA@25 摄氏度(查规格表得此时 CTR = 500%) 设计者应保证在器件实际工作温度范围内的最小 CTR 能够产生足够大的 IC 去驱动负载。
C，LED 老化的影响： 例图：
NEC 的 PS2801：CTR 对工作时间
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随工作时间的积累，光耦的 CTR 会变低（主要是因为发光管转换效率变低，也就是发光 管老化） 。光耦工作的 LED 正向电流越小，老化越慢。环境温度越高，老化越快。因此，用合 适的 IF 值，并与热源有足够间距能够延长光耦的使用寿命。 CTR 设计原则总结： 1、 根据需要的 IC，计算合适的 IF，得到合适的 CTR。 2、 温度范围内最小的 CTR 所输出的集电极电流仍能保证可靠工作， 考虑到延长使用寿命 的因素，这个值应至少再降额到 75%。 3、 IF 越小，老化越慢。不要靠近热源。
四、
各类别光耦控制电路设计及使用注意事项（实例）
4.1 光耦器件设计中应用时应重点注意的参数及基本知识 （1）器件最大允许功耗（带载能力）随环境温度而降低 例如下图 TLP521 发光管功耗-环温图，如果器件环境温度有可能达到 80 度，则光电管部 分静态功耗设计不应超过 70mW。
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同样的可以算出发光管的功耗以及总功耗。 如果规格书同时给出了 PD（发光管功耗最大值） 、PC（光电管功耗最大值） 、PT（总功耗 最大值） ，则设计的器件实际功耗应低于这三个值中的最小者。 （2）VCEO 与 VECO 要求 以 TLP521 为例， “TLP521 光耦 VCEO 为 55V，VECO 为 7V。 ” 这要求设计者设计的电路，TLP52 次级电源不能高于 55V，实际中降额一半使用时，即不 超过 24V，这样可保证不会正向击穿。 VECO 仅为 7V，当次级电源有可能有反向电压毛刺或者使用环境较为恶劣（例如次级作为 用户接口输出） ，可以在次级反向并联 1N4148（注意限流）或者正向串联 1N4007 保护，可保 证不会反向击穿。 （3）CTR 的稳定 影响 CTR 稳定的三个因素：IF 大小、环境温度、长时间工作（老化） 。详述如下： A, LED 正向电流 IF 大小
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：
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。
（6）直接驱动 POWER-MOS 或 IGBT：使用专用光耦 因功率 MOS 管 CGS 电容的影响，需要前级驱动光耦内阻足够小，带载能力足够大，否则 这个 RC 时间常数会导致 MOS 管关断很慢。而普通高速光耦如 6N137 驱动能力较有限，需配合 推挽电路调整阻抗和驱动能力。专用光耦内部已集成低阻抗高输出能力的推挽结构，直接选 用即可。
（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。
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。
（5）速度 影响光耦速度的三个因素：负载电阻大小、光电管的 hfe、光电管的结电容 Ccb。详述如 下：
TLP521 开关时间对负载电阻关系 其中，负载电阻和结电容的影响是我们可以控制的。TLP521 负载电阻越大，ts 及 toff 越大，这是因为 CCB 的放电回路时间常数越大，放电越慢。因此提高速度主要有 2 个办法： 减小 RL，减小结电容影响；增大 LED 的发射电流，加快感光管的响应速度。 如光耦 LED 的驱动器件输出电流能力有限，可增加一级射极输出推挽开关电路，比如公 司产品电路中常用的 2SC2712+2SA1037 的方式。 此电路需要注意的是：
（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
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三、
光耦隔离（驱动）电路
光耦隔离（驱动）电路是指使用光耦器件实现隔离（如隔离 SPI 数字总线） 、隔离&驱动（如 驱动继电器、发光体等）的硬件电路。 3.1 隔离/驱动电路的类别 1、数字总线隔离。如使用 6N137 实现 SPI、UART 等隔离。 2、普通 IO 数字信号隔离。如使用 TLP521 实现测量板与主控板间普通 IO 信号的隔离。 3、隔离&驱动。如使用 4N33 实现主控板与继电器（开关量）板的隔离以及继电器的驱 动。 3.2 各类别控制电路的主要器件 1、串行数字总线隔离：光耦、如需要增加晶体管。 2、普通 IO 数字信号隔离：光耦。 3、隔离&驱动：光耦、被驱动器件（如继电器） 。
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（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
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4N33 ：CTR 对 IF，归一化曲线 设计发光管正向电流 6mA 左右时 4N33 具有最大的电流传输比。当归一化标准不同时， 曲 线形状不同，但大部分规格书只给出一种曲线，开发者可以参考曲线进行设计。
B，环境温度影响： CTR 温度特性的构成：发光管的温度特性+光电管的温度特性=CTR 的温度特性，如下图。 LED 发光效率反比于环境温度，感光管电流放大系数正比于环境温度，两者共同作用导致 CTR 对温度的关系可被描述为近似先升后降的曲线。
（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。
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（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
（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。
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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。
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 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。