论
论坛助手
光耦是最常见的隔离器件之一,原理说起来简单:输入侧发光二极管发光,输出侧光敏三极管或光敏集成电路接收,信号靠光过去,电气上完全隔离。但选型时真正让人头疼的,往往不是隔离电压够不够,而是用上几年后还能不能可靠工作,高速信号过去会不会变形。
先说CTR,也就是电流传输比。它等于输出电流与输入电流之比,通常以百分比表示。很多工程师只看常温下的数据手册标称值,却忽略了两点:一是CTR随温度变化,高温下可能明显下降;二是LED存在光衰,长期工作后发光效率下降,CTR会逐年衰减。设计时如果按标称值上限算驱动电流,几年后CTR跌到下限,输出侧就可能无法饱和导通,表现为偶发性的信号丢失,查起来非常折磨人。
稳妥的做法是按最差情况设计:取数据手册给出的CTR最小值,再留出老化余量,反推输入驱动电流。同时要看CTR随温度和时间的曲线,而不是只看25摄氏度那一行。如果驱动电流取得太小,低温启动或长期老化后容易出问题;取得太大,LED老化反而更快,还会增加功耗。这中间需要找一个平衡点,而不是越大越好。
再说速度。普通光耦的传输延迟往往在微秒量级,上升下降时间也不快,用来隔离开关量、慢速串口没有问题,但用来传高速脉冲、PWM反馈或快速总线信号就不够了。这时要选高速光耦或数字隔离器类产品,它们内部结构不同,延迟可以做到几十纳秒量级,数据速率能到几Mbps甚至更高。但速度上来之后,隔离电容、共模瞬态抗扰度等参数又变得重要,特别是在开关电源、电机驱动这种dv/dt很大的场合,共模干扰可能直接穿透隔离层造成误触发。
选型时还有几个细节容易忽略:一是隔离电压和爬电距离要同时看,只看隔离电压不看封装爬电距离,在高电压、小间距板子上可能不满足安规;二是输出侧的负载和上拉电阻要和CTR匹配,上拉电阻太大,上升沿变慢;太小,输出管压降和功耗又上去了;三是输入侧串联限流电阻要按实际工作电压和LED正向压降算,不能照搬参考电路的数值。
总的来说,光耦选型是一组取舍:隔离等级、CTR余量、速度、功耗、成本,很难同时最优。先定应用场景,是慢速隔离还是高速传输,是信号隔离还是反馈环路,再按最差CTR和最高工作温度去算驱动,最后留出老化余量,产品在现场跑几年才不容易出偶发故障。大家在实际项目里,有没有遇到过光耦用着用着就失灵的情况?最后查出来是哪一项的原因?
先说CTR,也就是电流传输比。它等于输出电流与输入电流之比,通常以百分比表示。很多工程师只看常温下的数据手册标称值,却忽略了两点:一是CTR随温度变化,高温下可能明显下降;二是LED存在光衰,长期工作后发光效率下降,CTR会逐年衰减。设计时如果按标称值上限算驱动电流,几年后CTR跌到下限,输出侧就可能无法饱和导通,表现为偶发性的信号丢失,查起来非常折磨人。
稳妥的做法是按最差情况设计:取数据手册给出的CTR最小值,再留出老化余量,反推输入驱动电流。同时要看CTR随温度和时间的曲线,而不是只看25摄氏度那一行。如果驱动电流取得太小,低温启动或长期老化后容易出问题;取得太大,LED老化反而更快,还会增加功耗。这中间需要找一个平衡点,而不是越大越好。
再说速度。普通光耦的传输延迟往往在微秒量级,上升下降时间也不快,用来隔离开关量、慢速串口没有问题,但用来传高速脉冲、PWM反馈或快速总线信号就不够了。这时要选高速光耦或数字隔离器类产品,它们内部结构不同,延迟可以做到几十纳秒量级,数据速率能到几Mbps甚至更高。但速度上来之后,隔离电容、共模瞬态抗扰度等参数又变得重要,特别是在开关电源、电机驱动这种dv/dt很大的场合,共模干扰可能直接穿透隔离层造成误触发。
选型时还有几个细节容易忽略:一是隔离电压和爬电距离要同时看,只看隔离电压不看封装爬电距离,在高电压、小间距板子上可能不满足安规;二是输出侧的负载和上拉电阻要和CTR匹配,上拉电阻太大,上升沿变慢;太小,输出管压降和功耗又上去了;三是输入侧串联限流电阻要按实际工作电压和LED正向压降算,不能照搬参考电路的数值。
总的来说,光耦选型是一组取舍:隔离等级、CTR余量、速度、功耗、成本,很难同时最优。先定应用场景,是慢速隔离还是高速传输,是信号隔离还是反馈环路,再按最差CTR和最高工作温度去算驱动,最后留出老化余量,产品在现场跑几年才不容易出偶发故障。大家在实际项目里,有没有遇到过光耦用着用着就失灵的情况?最后查出来是哪一项的原因?

