【转】光耦参数解析

任何器件的选型都是个复杂的工作，要考虑很多问题。在我没认识《硬件十万个为什么》的作者时，钽电容和普通的铝电解电容在设计时，除了ESR、正切角、成本不同外，基本上不考虑别的因素。他告诉我，钽电容失效时会起火，铝电容失效仅仅是电解液干涸。用在高可靠领域，尽量用好的铝电解电容，少用钽电容。我的知识里这块是空白，设计时系统的失效方式从未在我的考虑范围之内。我也直言，这的确超出了我的能力所及，除了佩服就是努力学习。尤其是被动器件，看起来简单，考虑起来真的是非常复杂。

光耦实际上是一个发光器件与光接收器件的组合器件，以光为媒介传输电信号的电->光->电转换器件。理论上等效模型，都可等效为CCCS（电流控制电流源）。

所以分析光耦的时候，很多仿真软件都没有什么光耦的模型，都需要用CCCS来等效。

光耦在电路中有很多奇葩的用法，但最主流的用法就是用来隔离信号。隔离数字信号和模拟信号。这两个要求大相径庭。数字信号往往要求低延时，Tpd要小。模拟信号除了带宽就是精确度的要求。但应用千差万别，各种不同的应用参数侧重点不同。所以，最重要的还是需要对自己的应用熟悉。然后对光耦这个器件的各个参数熟悉，才能知人善任。我就把光耦的几个重要的参数解析一下，然后在典型的例子里套一套，看看怎么选择这个参数。

技术参数主要有发光二极管正向压降Vf、正向电流If、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)ceo、集电极-发射极饱和压降Vce(sat)。传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。
CTR：光敏三极管的电流与 发光管的电流 的比值；
隔离电压：发光管和光敏三极管的隔离电压的最大值Vrms；
集电极－发射极电压：集电极－发射极之间的耐压值的最大值。

电流传输比是最重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流Ic与直流输入电流If的百分比。采用一只光敏三极管的光耦合器，CTR的范围大多为20%～600%（如ps2501），而PC817则为80%～160%；达林顿型光耦合器（如4N30）可达100%～5000%。这表明欲获得同样的输出电流，后者只需较小的输入电流。因此，CTR参数与晶体管的hFE有某种相似之处。

上图是ps2501的CTR的特性，线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲线；普通光耦合器的CTR-IF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真严重，因此它不适合传输模拟信号。线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号。因此，它适合传输模拟信号，输出与输入之间呈线性关系。下图是IL300的传输图增益图。可以看到温度、电流等多重因素的影响下，基本上传输特性还是条直线。

线性度不好的光耦合器呈现开关特性，其线性度差，适宜传输数字信号(高、低电平)，可以用于单片机的输出隔离；所选用的光耦器件必须具有较高的耦合系数。如6N137，CTR大的离谱，手册里不直接提这个事情，直接上输出电压与输入电流的关系。

大型开关电源中，驱动信号驱动功率器件需要隔离。这时，开关波形通过光耦的延时显得尤为重要。尽量选择延时比较小的光耦，下图是测试电路。在整个开关电源电路工作中，延时过大导致开关电源的瞬态响应变差，过小占空比和过大占空比传输不过去，只能牺牲调节精度和速度。所以，推荐光耦的带宽不小于MHz级。延迟时间不宜超过周期的1%。

大型开关电源中，驱动信号驱动功率器件需要隔离。这时，开关波形通过光耦的延时显得尤为重要。尽量选择延时比较小的光耦，下图是测试电路。在整个开关电源电路工作中，延时过大导致开关电源的瞬态响应变差，过小占空比和过大占空比传输不过去，只能牺牲调节精度和速度。所以，推荐光耦的带宽不小于MHz级。延迟时间不宜超过周期的1%。

还有一些直接整合图腾柱的光耦，适合驱动IGBT和大功率的mosfet，如ACPL-P341/ACPL-W341。其实也可以在外部做图腾柱的，电流也可以做得很大。集成得就是比较好用，生产问题会少一些，也会更可靠一些。

光耦反馈式开关电源必须正确选择线性光耦合器的型号及参数，除了必须遵循普通光耦的选取原则外，还需要考虑以下问题：
1、光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是50%～200%。这是因为当CTR＜50%时，光耦中的LED就需要较大的工作电流(IF＞5.0mA)，才能正常控制单片开关电源IC的占空比，这会增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将单片开关电源误触发。

2、若用放大器电路去驱动光电耦合器，必须精心设计，保证它能够补偿耦合器的温度不稳定性和漂移。

3、推荐采用线性光耦合器，其特点是CTR值能够在一定范围内做线性调整。也可以采用下面这种方式采用普通双光耦补偿。效果也还可以。

上述使用的光电耦合器时工作在线性方式下，在光电耦合器的输入端加控制电压，在输出端会成比例地产生一个用于进一步控制下一级电路的电压，是单片机进行闭环调节控制，对电源输出起到稳压的作用。

使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，必须遵循下列原则：所选用的光电耦合器件必须符合隔离击穿电压的要求。但是我们在设计时很少考虑这个问题。如下图所示，Vcm即是两侧地的压差。Ps2501所能隔离的最大电压可达5000Vrms。隔离高低压信号的应用一定要关注此参数。
最后，还有一种光耦是可控硅型光耦。例如：moc3063、IL420；它们的主要指标是负载能力；例如：moc3063的负载能力是100mA；IL420是300mA。

你好，看了你对光耦参数的解析感觉非常有用。我现在想用光耦做隔离电路，即输入侧为一个小的PWM方波信号控制光耦的通断，输出侧通过光耦的开关来改变直流电压的占空比，从而实现可控输出0-300V之间的电压值。由于我是新手，可能描述的不是很清楚，不知道有没有哪一款光耦可以实现这个功能，有什么注意点，求大神指导

haolaishi 发表于 2015-2-27 21:03
使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，必须遵循下列原则：所选用的光电 ...

如果把3脚和5脚接到一起，这个还能起到隔离作用吗？

Be_happier 发表于 2015-11-27 16:37
你好，看了你对光耦参数的解析感觉非常有用。我现在想用光耦做隔离电路，即输入侧为一个小的PWM方波信号控 ...

PC817就可以啊