[有奖征文活动]高速光耦隔离H桥之痛

记得很久很久以前有一次突然想搞一个全光耦隔离的，H桥高速驱动电路，结果花啊花啊，没多久就画出来了，还没有测试就贴到了论坛上去，结果被网友笑话了一场，虽然很丢面子，但是还是确确实实学到了很多东西的说的。现在就来说说我当初的这次经历吧^_^

                                                                                                                                                                                          
论坛的关系图片有点小，大家还是点开来仔细看吧

当初之所以认为这个电路能实现高速光耦隔离的H桥驱动，实际上也就是看中了那个6N137（这里用PS9601替代）的高速特性，因为使用6N137就一定能够实现高速的特性，结果就想当然的连接了一下以为就可以实现高速的H桥驱动了，其实完全不是怎么一回事的，

这里我就给大家说说这样的电路有哪些问题吧

第一，vmos虽然看似是电压驱动器件，但是实际上还是需要拥有相当低驱动内阻的器件才能使它高速的开关的，为什么呢，因为vmos存在着一个容量非常可观的Cgs，也就是G和S电极之间的等效电容，这个电容的容量差不多有2000p左右，视具体管子有所出入，但是都不小的说，由于这个电容的存在，就导致了这个电路的速度永远都不可能达到高速，我们显卡左下角的M1管子，可以看到关断是使用的三极管关断的，可能这个勉强还算过的去的，但是Vgs的上升就要缓慢的多了，因为它有一个rc时间，差不多是10k*2000p这个时间可不短了哦。可想而知M1的导通是多么的缓慢的说。再来看看更要命的M2吧，这是一个PVMOS的功率管，可以看到这样的当M2开启的时候是由晶体管来控制的所以相对来说还是过的去的，那过不去的就是关断时间了，这个就真的比较要命了，由于MOS管的特性，关断时间远慢于开启的时间。结果就是M2还没有关断的情况下，M1就已经开始慢慢导通了，导致了两个管子上下导通产生了相当大的电流，用不了多久内阻稍大的P沟道M2这个管子就会发热严重，慢慢的就过热烧毁了。这就是为什么很多人都说H桥容易烧P管的原因了。


第二，我们再来看看这里的vmos的控制电压，由于受制于6n137的工作电压，Vgs最高只有5v，远低于irf640的完全导通电压，所以导致vmos始终工作在高内阻区，功率管发热严重，所以这样的电路是绝对不具有任何实用性的。

既然分析后知道了上述原因，那我们应该如何才能修正这样的问题呢？
其实原本是很复杂的，简单的说就是6n137后面接放大电路，然后再推挽控制mos管子的开关和关断，



大家可以参考这个电路的原理，但是实际上这样的电路由于结构复杂，非常不适合实际使用，同时由于放大器也具有可观的延迟，所以最终还是破坏了我们得到高速隔离mos管驱动的目的。要速度快就要用高速运放，还是价格很可观的哦。所以不建议使用

不过现在就比较方便了，推荐使用专用的mos管驱动用光耦，比如东芝的tlp250就是不错的选择



大家可以看到内部已经帮我们集成了放大器和驱动电路了，能够在保证基本速度的情况下极大的简化外围电路的使用，方便我们简化H桥的电路，强力推荐使用

说道这里再给大家说个事情吧，那就是光耦隔离下的uart的串口通讯问题，

记得有不少朋友都碰到过，就是一个串口接上了普通的低速光耦，结果串口通讯就无论如何也调试不出来了，非要使用6n137这样昂贵的高速光耦才能正常通讯，其实不然，这里我教大家一个使用普通廉价低速光耦也能完成基本串口通讯的方法吧




如图所见，大家可以看到了这是市面上及其常见的廉价的ps2501光耦，我是因为pspice里面就它有模型才调用的其实别的电路也都一样的因为基本上它就是最烂最便宜的那个的代表了，不过通过19200波特率还是很轻松的

我们可以翻看他的手册，得知tr=3us tf=5us 这点速度已经远小于19200波特的26us的脉冲宽度了，所以器件理论上是可行的

再来看一下为什么平时大家都接的但是却不好用，这里给大家分析一下原因吧

我们要知道光耦的速度和光耦输出三极管工作电流有关系，为什么呢，因为工作电流越大，r24就必须越小，r24越小，这样r24和晶体管本身的结电容的rc充放电时间就短，这个rc时间短了，晶体管的开关速度也就自然上升了，但是晶体管的工作电流是由发光二极管的光照强度决定的，还有电流传输比决定的，所以发光二极管的点亮电流也要适当增加才能满足隔离晶体管的电流需求，一般cpu的io可能不能提供如此大的电流，所以这里使用一个8550做了一级电流放大，当然如果你的单片机驱动电流够大的情况下也可以不用这个三极管。还有一点就是可以看到后面的这个三极管是接的共集电极接法，而不是常见的共发射极接法，这是因为共集电极接法的速度远比共发射极接法来的快，同理前面的Q2也用的是共集电极接法来尽可能的提高光耦的速度，减少延迟。
再说一下光耦的电流也不是可以无限制增加的，最好在使用之前看一下手册上说明的最大工作电流，然后计算好适合的电阻再用。否则容易烧毁光耦。
最后给大家几张仿真的测试图片


这个是工作在19200波特率下，电压3.3v情况下的光耦发光二极管电流和晶体三极管的电流仿真图




这张图实在同等测试条件下的电压曲线图，可以看到ps2501这个垃圾光耦在19200的波特率下的波形良好，使用完全没有任何问题^_^


补充一下r24和r23的计算方法，r24等于（电源电压-0.2v）除以手册上的晶体管的极限工作电流，
r23等于晶体管的极限工作电流除以电流传输比，得出发光二极管需要多少电流就可以让后面的晶体管完全饱和了。

然后用（电源电压-1.8v）除以这个电流，就是r23的取值了，当然在满足速度的情况下r23和r24都可以适当增大阻止减少功耗

坐在沙发上慢慢拜读。。。

可惜回帖的人少的很啊，嗨～～～～～～～～～～～

Vgs的事情，你改光偶能顶用吗？

RC=10K*2000PF

你想办法把那10K弄掉，这个RC常数不就很短了吗？

哈哈,图文并茂,写得不错呀
＂这是因为共集电极接法的速度远比共发射极接法来的快＂这个提法能否详细讲讲工作原理．

好帖子！！！！！！！！！！！！

同5楼问 想知道怎么个原理

“共集电极接法的速度远比共发射极接法来的快”

Vgs的事情，你改光偶能顶用吗？

RC=10K*2000PF

你想办法把那10K弄掉，这个RC常数不就很短了吗？
yewuyi 发表于 2009-8-7 08:45

纠正一下你的错误理解，这样说吧，这个10k的电阻再改小得到的速度也远低于6n137能达到的1mhz的速度，甚至连ps2501的速度都不如。具体你可以自己计算一下就会得到结果的

还有6n137这类的高速光耦的负载能力远比ps2501的负载能力差，所以r不是无限制缩小的

第二vgs的事情，我可以负责任的告诉你tlp250输出端的最高工作电压远超过20v的vgs的极限耐压，请你翻看一下手册就清楚了

同5楼问 想知道怎么个原理

“共集电极接法的速度远比共发射极接法来的快”
kili_cn 发表于 2009-8-7 13:19

基础模拟电路知识，三种单管放大器接法

其本人集电极接法也就是射极跟随器，
射极跟随器的频率响应是非常好的，
原因是深度负反馈，电压放大倍数只有1，只有电流有放大的。
还有就是结电容对它的影响相对最小，所以频率响应才好。

共发射极电路的频率响应和速度都远低于共集电极。深究原因的话就是结电容的rc时间关系 比如be极的结电容，bc极的结电容，还有ce极的结电容，他们的大小对放大器频率的影响，第二个就是负反馈的作用了。

高频好的一般只有共集电极和共基极两种接法比较快，但是这个光耦共基极显然是不行的，那就只有共集电极可以用咯

有些比较实用的新思想.评分90

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第一，vmos虽然看似是电压驱动器件，但是实际上还是需要拥有相当低驱动内阻的器件才能使它高速的开关的，为什么呢，因为vmos存在着一个容量非常可观的Cgs
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RE：没发现哪里错了啊！？你这句不就已经说明了应该尽量降低R的大小了吗？！
这样理解是否符合你的设想：你的第一个图不能达到高速，是因为类如R2=10K的存在降低了RC充放电的速度，导致不能高速！

如果成立的话，那就加一级驱动，弄掉R2这样的东西不就可以了吗？

另外，我的理解是，既然Cgs是MOSFET本身存在的，任何外加的电路也不可能去掉这个电容，所以惟有尽量减小R或者尽量提高G极驱动电压（MOSFET可承受的范围）才可能尽量提高响应速度。

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第一，vmos虽然看似是电压驱动器件，但是实际上还是需要拥有相当低驱动内阻的器件才能使它高速的开关的，为什么呢，因为vmos存在着 ...
yewuyi 发表于 2009-8-8 09:05

我不是已经有一个图是加了一级的运放来做推挽输出的驱动级了吗？不是也说明了吗，这样增加了电路的复杂性，还有放大电路本身也会增加延迟，反而降低了速度

第二个问题说减小r，确实可以，但是你r能见到多小呢？光耦的输出三极管有极限工作电流的，而且这类高速光耦的极限工作电流普遍偏小，一般都在10ma以下

这样算下来的电阻差不多300多欧姆，乘以2000o的话延迟还是相当严重的，但是如果使用晶体管推挽电路的话，输出内阻就急剧下降到个位数，所以速度上就会产生明显的优势了^_^

补充一下哦，tlp250是1.5a的输出电流能力哦，为的就是大幅降低输出内阻哦^_^

俺在4口说的意思就是围绕降低R做功课啊。

呵呵，你说俺理解错了，俺就晕塌啦。。。

阻抗变换是基本功课啊，你怎么首先想到用OP呢，哈哈，首先想到的肯定是晶体管做变换啦。

三极管做变换，不能只考虑发射极最大电流的啊，还要注意三极管本身的响应速度了哦，另外要保证饱和导通。

俺在4口说的意思就是围绕降低R做功课啊。

呵呵，你说俺理解错了，俺就晕塌啦。。。

阻抗变换是基本功课啊，你怎么首先想到用OP呢，哈哈，首先想到的肯定是晶体管做变换啦。

三极管做变换，不能只考虑发射极最大电 ...
yewuyi 发表于 2009-8-8 09:41

^_^你理解我的意思就好^_^

这里解释一下为什么我第一想到是op而不是晶体管，

第一原因，op现在已经相当便宜了，无理由不用

第二，晶体管电路太复杂可靠性也低，受到的外部影响也大，缺乏保护电路

一系列电路全部做好了之后，往往发觉成本还不如用运放呢，而且太占面积了


怎么说吧，一开始我刚刚开始学电子的时候也喜欢像你这样凡是都用晶体管解决的，但是时间长了，慢慢的用晶体管自己搭过运放，功放之后，就慢慢体会到这个是有问题的。非常不使用和划算的，毕竟运放还是主流器件了，已经在大多数情况下大量淘汰普通晶体管放大电路了，使用运放能让电路稳定，可靠，而且简化pcb确实要比晶体管实用的多的说

俺在4口说的意思就是围绕降低R做功课啊。

呵呵，你说俺理解错了，俺就晕塌啦。。。

阻抗变换是基本功课啊，你怎么首先想到用OP呢，哈哈，首先想到的肯定是晶体管做变换啦。

三极管做变换，不能只考虑发射极最大电 ...
yewuyi 发表于 2009-8-8 09:41

换种说法吧，如果要你凭空搭一个高速光耦的晶体管推挽扩流电路，还要高速的，凭良心说哦，就算是高手也至少需要个1个小时左右，而且一般没搭过的人还会认为这很简单，实际并非如此，真的，过来人的说辞，我就是已经花了很长时间研究过这个东西的，虽然成功了，但是发觉运放远比我这样做使用，虽然晶体管做得好甚至还能超过运放，但是就现在的器件发展情况来看已经是越来越难超过专用集成电路的性能了。而且关键的是电路实在太复杂了，真的，如果只是为了学习的话值得一试，但是真的工程的话还是一律用运放更加实用和高效一些，而且最关键的是现在的运放其实已经性价比很高的说了，比如说5532一类的运放也都廉价的要命了

哈哈,设计中是应该多用运放,三极管和Mos管大多用于高电压和大电流的场合.这叫扬长避短,发挥它们的优势,呵呵,咋这作电路设计思路与用人是一道理.

基础模拟电路知识，三种单管放大器接法

其本人集电极接法也就是射极跟随器，
射极跟随器的频率响应是非常好的，
原因是深度负反馈，电压放大倍数只有1，只有电流有放大的。
还有就是结电容对它的影响相对最小，所 ...
沈洁 发表于 2009-8-7 21:56

呵呵,经您这一提,是回忆起来了.高频部分有用共基极的接法.而射极跟随器是电流放大,电压系数为1,而且输出阻抗低.
高速就不应让三极管处于深度饱和,否则转入载止态会有较长的恢复时间,这个提法是否得当.

呵呵,经您这一提,是回忆起来了.高频部分有用共基极的接法.而射极跟随器是电流放大,电压系数为1,而且输出阻抗低.
高速就不应让三极管处于深度饱和,否则转入载止态会有较长的恢复时间,这个提法是否得当. ...
古道热肠 发表于 2009-8-8 10:45

恩就是这样的说 ^_^

都是高手啊。

再会沈侠 高手  鄙人外行做销售的 深感佩服，:handshake