光耦參數的理解

引言

光耦作為一個隔離器件已經得到廣泛應用，無處不在。一般大家在初次接觸到光耦時往往感到無從下手，不知設計對與錯，隨著遇到越來越多的問題，才會慢慢有所體會。

本文就三個方面對光耦做討論：光耦工作原理；光耦的 CTR 概念；光耦的延時。本討論也有認識上的局限性，但希望能幫助到初次使用光耦的同事。

1 理解光耦

光耦是隔離傳輸器件，原邊給定信號，副邊回路就會輸出經過隔離的信號。對于光耦的隔離容易理解，此處不做討論。

以一個簡單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入信號 Vin，施加到原邊的發光二極管和 Ri 上產生光耦的輸入電流 If，If 驅動發光二極管，使得副邊的光敏三極管導通，回路VCC、RL 產生 Ic,Ic 經過 R L 產生 Vout，達到傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅動關聯是CTR（電流傳輸比），要滿足 Ic≤If*CTR。

光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？

工作在開關狀態的光耦副邊三極管飽和導通，管壓降<0.4V，Vout 約等于 Vcc（Vcc-0.4V左右），Vout 大小只受 Vcc 大小影響。此時 Ic

工作在線性狀態的光耦，Ic=If*CTR，副邊三極管壓降的大小等于 Vcc-Ic*R L ，Vout= Ic*R L=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*R L ，Vout 大小直接與 Vin 成比例，一般用于反饋環路里面 (1.6V 是粗略估計，實際要按器件資料，后續 1.6V 同) 。

對于光耦開關和線性狀態可以類比為普通三極管的飽和放大兩個狀態。

所以通過分析實際的電路，除去隔離因素，用分析三極管的方法來分析光耦是一個很有效的方法。此方法對于后續分析光耦的 CTR 參數，還有延遲參數都有助于理解。

2 光耦 CTR

概要：1)對于工作在線性狀態的光耦要根據實際情況分析；2)對于工作在開關狀態的光耦要保證光耦導通時 CTR 有一定余量；3)CTR 受多個因素影響。

2.1 光耦能否可靠導通實際計算

舉例分析，例如圖.1 中的光耦電路，假設 Ri = 1k,Ro = 1k,光耦 CTR= 50%，光耦導通時假設二極管壓降為 1.6V，副邊三極管飽和導通壓降 Vce=0.4V。輸入信號 Vi 是 5V 的方波，輸出 Vcc 是 3.3V。Vout 能得到 3.3V 的方波嗎？

我們來算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA

副邊的電流限制：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA

假設副邊要飽和導通，那么需要 Ic’= (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于電流通道限制，所以導通時，Ic 會被光耦限制到 1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V

所以副邊得到的是 1.7V 的方波。

為什么得不到 3.3V 的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅動能力小，只能驅動1.7mA 的電流，所以光耦會增大副邊三極管的導通壓降來限制副邊的電流到 1.7mA。

解決措施：增大 If；增大 CTR；減小 Ic。對應措施為：減小 Ri 阻值；更換大 CTR 光耦；增大 Ro 阻值。

將上述參數稍加優化，假設增大 Ri 到 200 歐姆，其他一切條件都不變，Vout 能得到 3.3V的方波嗎？

重新計算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副邊電流限制 Ic’≤ CTR*If = 8.5mA，遠

大于副邊飽和導通需要的電流(2.9mA)，所以實際 Ic = 2.9mA。

所以，更改 Ri 后，Vout 輸出 3.3V 的方波。

開關狀態的光耦，實際計算時，一般將電路能正常工作需要的最大 Ic 與原邊能提供的最小 If 之間 Ic/If 的比值與光耦的 CTR 參數做比較，如果 Ic/If ≤CTR，說明光耦能可靠導通。一般會預留一點余量（建議小于 CTR 的 90%）。

工作在線性狀態令當別論。

2.2 CTR 受那些因素影響

上一節說到設計時要保證一定 CTR 余量。就是因為 CTR 的大小受眾多因素影響，這些因素之中既有導致 CTR 只離散的因素（不同光耦），又有與 CTR 有一致性的參數（殼溫/If）。

1)光耦本身：以 8701 為例，CTR 在 Ta=25℃/If=16mA 時，范圍是(15%~35%)

說明 8701 這個型號的光耦，不論何時/何地，任何批次里的一個樣品，只要在 Ta=25℃/If=16mA 這個條件下，CTR 是一個確定的值，都能確定在 15%~35%以內。 計算導通時，要以下限進行計算，并且保證有余量。計算關斷時要以上限。

2)殼溫影響：

Ta=25℃條件下的 CTR 下限確定了，但往往產品里面溫度范圍比較大，比如光耦會工作在（-5~75℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 8701 的手冊：有 Ta-CTR 關系圖：

從圖中看出，以 25 度的為基準，在其他條件不變的情況下，-5 度下的 CTR 是 25 度下的 0.9 倍左右，75 度下最小與 25 度下的 CTR 持平。

所以在 16mA/(-5~75℃)條件下，8701 的 CTR 最小值是 15%*0.9 = 13.5%

3) 受 If 影響。

假設如果實際的 If 是 3.4mA，那么如何確定 CTR 在 If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)條件下的最小 CTR 值。

查看 8701 的 If-CTR 曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個樣品做測試得到的If-CTR 曲線，實際只需要一個樣品的曲線即可。

注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個曲線，其實不然。大部分圖表曲線只是一個相對關系圖，不能圖中讀出絕對的參數值。

計算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，If=16mA 時 CTR 大概 28%，在 If=3.4mA時 CTR 大概在 46%。3.4mA 是 16mA 時的 46%/28% = 1.64 倍；

所以，在 If=3.4mA / (-5~75℃)，CTR 下限為 13.5% * 1.64 = 22.2%

以上所有分析都是基于 8701 的，其他光耦的特性曲線需要查用戶手冊，分析方法一樣。

3 光耦延時

上述 CTR 影響到信號能不能傳過去的問題，類似于直流特性。下面主要分析光耦的延時特性，即光耦能傳送多快信號。

涉 及到 兩個參 數： 光耦導通延時 t plh 和 光耦關斷 延時 t phl ，以 8701 為例 ：在If=16mA/Ic=2mA 時候，關斷延時最大 0.8uS，導通延時最大 1.2uS。所以用 8701 傳遞 500k以上的開關信號就需要不能滿足。

下圖是一個實測的延時波形（ch4 原邊（紅），ch2 副邊（綠））

對于 t p 參數的設計更應該考慮余量，因為 t p 參數也受其他因素影響較多。

1) 受溫度影響

8701 的 Ta-If 特征曲線：溫度升高，開關延時都會增大。

2) 受原邊 If 大小影響

8701 的 tp-If 特征曲線：If 增大，關斷延時減小，開通延時增大

3) 受副邊 Ic 大小影響

8701 的 tp-R L 特征曲線：R L 減小，導通延時增大明顯

針對具體電路的特點，計算最大延時時也是采用與 CTR 一樣的方法，通過器件資料給定特定環境下的準確范圍，然后逐一通過三個曲線確定具體電路下的光耦最大延時。

注：同一個型號的光耦 CTR/延時特性是一致的，不同光耦的延時特性不盡相同，所以需要根據所用光耦的用戶手冊來確定。