1、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
2、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。输入电路（原边）：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
3、于图 1 的限流电阻 R 的阻值可以根据下面的公式计算： 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。图 1 LED 驱动电路根据设计要求，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
4、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。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： = IF inFRV1*2Cfi:RC 滤波的截止频
5、率f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、V F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；从上图得，当 VF=1.7V、T a=（-575）时，I F约在 3mA 8mA 范围内（I F较大时对 CTR 影响较大）；IF在 1mA8mA 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
6、18.0V 之间其信号状态为不确定。则可以根据式大概推算出限流电阻 Rin范围为 1.9K5.3K（V F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）：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 I 和集电极到发射极的电压 。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
7、极管的集电极串联电阻 RL,再从集电极引出 Vout（如图 4） 。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，可通过下式计算输出量：Vout = IE * RL 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 180 ，可通过下式计算输出量：Vout = Vcc-IC * RL 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
8、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 和副边三极管导通电流 。而 和 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。电流传输比： / 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 ，就可以通过上式计算出 ，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
9、Ta=(-575),I F为 16mA 情况下，CTR 最小值为 0.9*15%=13.5%。同理得 CTR 最大值为1.1*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=（-575）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，I F=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=（-575），CTR 下限约为 13.5% * 1.5=20.25%。同理 CTR
10、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：V H = 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（V CC=3.3V），由此根据和得到：=3.58K RL 3.58K %25.0*4c（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。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
11、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。在 Ta=(-575)内随着环境温度的增加 TPHL 、T PLH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
12、 倍；而 TPHL则是 2.7 倍。所以 T a=(-575)/I F=4mA/RL=2.2k时，T PLH最大值为 2.04*0.4=0.816us，而 TPHL的最大值约为 0.88*2.7=2.13usTa=25/ IF =16mA 时，在 RL 为 4.7K 时 TPLH=1us、T PHL =0.45us ；在 RL 为2.2K 时 TPLH=0.6us、T PHL =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=（-575）/ I F =4mA、R L=4.7K 时 ，T PLH 的最大值为1.39
13、us，T PHL 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。PS8701 高速光耦电路参数计算：输入规格：V inmax=24*1.1=26.4；V inmin=24*0.9=21.6;频率： f0 = 80KHz限流电阻：R in = 3.3K光耦自身规格：V F（max） = 2.2 V二极管导通压降： Vd = 1 V并联电阻 ： R1 = 2K IF-min = = 4.173mA1(max)(max)in2RFidFIF-max = = 5.627mA1(ax)(ax)aVVFindFin由 PS8701 的 DAT
14、ASHEET 可知，I F =16/Ta =25时的 CTR= 0.150.5，根据上面“电流传输比”部分的说明可得到 IF =4.1735.627mA / Ta =(-575)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：= 3400 RL 3.4K%3.20*4minFI结合光耦副边压降 VO 、 RL 和 下图得： 取 RL = 4.7K。由上面的延时部分 当 IF =4.173mA 时，T PLH = 1.39us，T PHL = 1.83us，上限频率为f0=1/2.22=450.45KHz；当 IF = 5.626mA 时，T PLH = 1.45us，T PHL = 1.51us，上限频率为f0=1/2.96=337.84KHz；
