光耦隔离电路

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④计算输出量： Vout = IE * RL „„„„„„„„„④
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 下式⑤计算输出量： Vout = Vcc-IC * RL „„„„„„„„„⑤
，可通过
通过串联电阻 RL 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ＩＣ。 而ＩＦ和ＩＣ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。
光耦副边——接收光敏三极管。 在这部分电路设计时必须了解此三极管的基 本参数：集电极电流 IＣ和集电极到发射极的电压ＶＣＥ。
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） 。
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 =16mA / RL = 2.2K 时，关断延时最大 0.8us，导通 延迟最大 1.2us，所以传输 500KHz 以上的开关信号则 PS8701 不能满足要求。
„„„„„„„„„
①
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 Vin 值 较小时，并联电阻上的电流小于“二极管导通电压 VF 与并联电阻 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 Vin 足够大时，并联电阻上的电流大于“二极管导通电压 VF 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。
从上图得，当 VF=1.7V、Ta=（-5℃~75℃）时，IF 约在 3mA~ 8mA 范围内（IF 较大时对 CTR 影响较大）；
IF 在 1mA—8mA 范围内，CTR 相对较高。
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。
输入电路（原边） ：
图1 LED 驱动电路
针对于光耦原边的电路设计，如图 1 ， 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 VF 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 1 的限流电 阻 R 的阻值可以根据下面的公式计算：
TPHL
PS8701 高速光耦电路参数计算： 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 ： R1 = 2K IF-min =
在 Ta=(-5℃~75℃)内随着环境温度的增加 TPHL 、TPLH 也有所改变，在 75℃的 TPLH 是 25℃时的 1.7 倍，75℃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。
据此图根据上面推导原理，可以得出 TPLH 在 IF=4mA 时（此处按 5mA 推）是 IF =16mA 的 0.4 倍；而 TPHL 则是 2.7 倍。所以 Ta=(-5℃~75℃)/IF=4mA/RL=2.2k 时，TPLH 最大值为 2.04*0.4=0.816us，而 TPHL 的最大值约为 0.88*2.7=2.13us
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。
电流传输比：
ＣＴＲ＝ＩＣ/ＩＦ „„„„„„„„„„„ ⑥
根据光耦的规格书可以得到 CTR 的范围值，但 CTR 会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ＩＣ，就可以通过上式⑥ 计算出ＩＦ，从而可以确定输入电路的相关参数。 以 PS8701 为例：
从图中看出，以 25℃为基准，在其他条件不变的情况下，-5℃的 CTR 约是 25℃的 0.9 倍，75℃时最小值基本与 25℃持平。由此可以初略计算出 Ta=(-5℃ ~75℃),IF 为 16mA 情况下，CTR 最小值为 0.9*15%=13.5%。同理得 CTR 最大值为
Ta=25℃/ IF =16mA 时，在 RL 为 4.7K 时 TPLH=1us、TPHL =0.45us ；在 RL 为 2.2K 时 TPLH=0.6us、TPHL =0.52us；故 TPLH 在 RL=4.7K 时是 RL=2.2K 的 1.7 倍，而 TPHL 则 为 0.86 倍。 所以在 Ta=（-5℃~75℃）/ IF =4mA、RL=4.7K 时 ，TPLH 的最大值为 1.39us， 的最大值为 1.83us。 总延迟时间约为 2.22us，故上限频率为 f0=1/2.22=450.45KHz。
Vin min VF (max) 2Vd VF (max) = 4.173mA Rin R1 Vin max VF (max) 2Vd VF (max) = 5.627mA Rin R1
IF-max =
由 PS8701 的 DATASHEET 可知，IF =16/Ta =25℃时的 CTR= 0.15~0.5，根据 上面“电流传输比”部分的说明可得到 IF =4.173~5.627mA / Ta =(-5℃~75℃)时， CTR=20.3%~57.8%。 由于后级 74LVC14 的门限电压 VL =0.6V,降额至 0.4V。结合输入电流 IF ，由 下式得： 3.3 0.4 = 3400 RL > 3.4K IF min* 20.3% 结合光耦副边压降 VO 、 RL 和 下图得：
光耦电路设计
目录
简介： .............................................................................................................................................. 2 输入电路（原边）........................................................................................................................... 2 输出电路（副边）........................................................................................................................... 5 电流传输比：................................................................................................................................... 7 延时： .............................................................................................................................................. 9
„„„„„„„„„„② „„„„„„„„„„③
f :RC 滤波的截止频率
参数确定中至关重要的是限流电阻 Rin 的值，而限流电阻 Rin 的大小又关系 到光耦原边二极管的导通电流 IF、VF 和并联电阻 R1；这些参数的确定跟光耦的 技术参数是息息相关，以 PS8701 为例：
由上表，取光耦原边二极管导通压降的典型值 1.7V 为 VF；
故光耦输入电路通常如图 2 包含限流电阻 Rin、并联电阻 R1、滤波电容 C1、 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 VF V F — = IF Rin R1 1 f 2 * * Rin * C1
则可以根据①式大概推算出限流电阻 Rin 范围为 1.9K~5.3K（VF 取 2.2V）。 初略取一个值 Rin=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） ：
1.Biblioteka Baidu*35%=38.5%。
由图可知 CTR 受 IF 的影响： 假设 IF =4mA，那么如何确定 CTR 在 Ta=（-5℃~75℃）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，IF=16mA 时 CTR 约为 30%，而 IF=4mA 时 CTR 为 45%。故 4mA 是 16mA 的 45%/30%=1.5 倍。所以，在 IF=4mA / Ta=（-5℃~75℃），CTR 下限约为 13.5% * 1.5=20.25%。同理 CTR 上限约为 38.5% * 1.5=57.8% 根据输出电路后端应用的施密特触发器门限，以 74LVC14 为例：VH = 2V ,VL =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 （VCC=3.3V），由此根据⑤和⑥得到： Vcc 0.4 =3.58K RL > 3.58K 4 * 20.25% （此处考虑到 RL 对 CTR 的影响取 RL=4.7K） 同时由下图也可以基本上确定 RL 的值在此范围内。