光耦隔离驱动设计及计算

关键词：光耦隔离驱动传输比（CTR）If Ic

【问题描述】： (1)

【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2kΩ，副边上拉电阻为4.7kΩ。

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, Ic=(5-0.2)/4.7K=1.021mA, If=(3.3-1.2)/2K=1.05mA

If是否满足要求:

Ifx=Ic/CTRmin=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: 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：

该光耦的datesheet中有如下资料：

由上图可以得出

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、I FT、、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/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: 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=3.06mA

Ic=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,

Ifx=Ic/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。