光耦的工作原理 光耦的CTR概念 光耦的傳遞時延

在設(shè)計電源時，我們常常會面對一個多“地”系統(tǒng)，而不同“地”回路之間又往往需要電信號交互，比如隔離電源原副邊之間，全橋、半橋等拓?fù)渲械摹吧瞎堋彬?qū)動回路與功率回路之間。這就需要采用隔離的方式進行電信號傳遞了。

目前來說，項目中一般采用兩種方式進行隔離，一是磁隔離，很多電源中都會采用“驅(qū)動變壓器”來驅(qū)動“上管”，這樣就不需要多設(shè)計一個輔助電源輸出來給“上管”作為驅(qū)動電源了；二是光電隔離，也就是用得很普遍的光耦了，副邊給原邊電源管理芯片反饋輸出電壓、電流信號時一般都是使用光耦。但光耦是如何工作的，有哪些特性呢？

本文將對這三個方面做詳細討論——光耦的工作原理、光耦的CTR概念以及光耦的傳遞時延。

光耦的工作原理

以一個簡單的圖（圖1）來說明光耦的工作：原邊輸入電壓Vin，使流過光耦原邊的發(fā)光二極管為If，發(fā)光二極管在電流If的驅(qū)動下，發(fā)出一定的光強照射到副邊光敏三極管的基極，產(chǎn)生基極電流使得三極管ce間流過電流Ic，Ic流過R2產(chǎn)生輸出電壓信號Vout。這就達到了隔離傳遞信號的目的。原邊副邊直接的驅(qū)動關(guān)聯(lián)是CTR（電流傳輸比）。

圖1

光耦可作為兩種用途：線性光耦和邏輯光耦。

工作在開關(guān)狀態(tài)的光耦，其副邊三極管飽和導(dǎo)通，管壓降很小（約<0.4V），此時輸出Vout 約等于 VCC（VCC-0.4V），亦即Vout僅受VCC影響，此時 Ic

工作在線性狀態(tài)的光耦，Ic=If×CTR，副邊三極管壓降的大小等于 Vcc-Ic×R2，Vout= Ic×R2=(Vin-Vd)/R1×CTR×R2，Vout大小直接與 Vin 成比例，一般用于隔離電源的反饋環(huán)路中 (Vd為發(fā)光二極管的壓降，下同)。

光耦的CTR

2．1光耦的可靠導(dǎo)通計算

CTR為電流傳輸比，在原邊與副邊的電流在一定范圍內(nèi)不限大小，CTR=Ic/If。所以對于圖1，計算副邊電流Ic的公式就有兩個了，即

(Vce為三極管集電極與發(fā)射極之間的壓降)

這兩個計算公式，（1）用來設(shè)計線性傳輸時使用；（2）用來設(shè)計邏輯狀態(tài)傳輸時使用，此式計算得到的Ic也是副邊可流過的最大電流，此時Vce約為0.4V。

同時，我們也可以用這兩個公式來分析一個光耦電路是用來做線性傳輸還是邏輯開關(guān)傳輸。下面舉例分析一下。

如圖2所示參數(shù)，光耦CTR為50%，發(fā)光二極管的壓降為1.6V，三極管飽和狀態(tài)時Vce為0.4V。

原邊電流:If=（Vin-1.6V）/R1=3.4mA

用（1）式計算副邊電流：Ic=If×CTR=1.7mA

用（2）式計算副邊電流: Ic=(VCC-0.4)/R2=1.45mA

所以通過CTR計算得到的電流大于副邊可流過的最大電流，也就是三極管飽和狀態(tài)的電流，以此可知此電路為邏輯傳輸。

那么要保證該電路一直工作在線性狀態(tài)，輸入電壓Vin范圍如何？根據(jù)光耦邏輯電路設(shè)計條件Ic1.45mA，計算的Vin>4.5V，且應(yīng)小于Vd，1.6V。即Vin<1.6V或Vin>4.5V。當(dāng)然在實際項目中，Vin不能無限大，還需考慮光耦原邊能承受的最大電流以及限流電阻R1的最大功耗等因素。同時，也不是高電平取個4.6V就可以，因為光耦CTR容易受到影響，設(shè)計時需要留有一定的裕量。

如果有一天光耦壞了，現(xiàn)在手上只有一個CTR為20%的光耦，能換上去使用嗎？答案是不可以也是可以，為啥呢？分析一下， If×20%=0.68mA

圖2

2.2、光耦受那些因素影響

前面提到由于光耦的CTR容易受影響發(fā)生改變，設(shè)計時需要一定的裕量，那么它主要是受那些因素的影響呢？

A、光耦本身：世上沒有兩片相同的葉子，同一批量出廠的光耦CTR也會有一定范圍的波動。但可靠的品牌一般不會有太大的差值。

B、溫度：以常用的EL871A為例，Ta=25℃條件下的 CTR 下限確定了，但往往產(chǎn)品會工作在溫度范圍比較大的環(huán)境里，比如光耦會工作在（-40~100℃）下，此種情況下 CTR 怎么確定？還是看 EL871A的手冊：有 Ta-CTR 關(guān)系圖：

從圖中可以看出，以Ta=25℃（IF=5mA）為基準(zhǔn)，溫度往高溫方向走，CTR越來越小，100℃時，CTR僅為25℃時的68%；往低溫方向走，CTR先變大再減小，整體呈現(xiàn)非線性變化，溫度約為-18℃時，CTR最大值為25℃時的106%，，所以設(shè)計時，工程師需要考慮產(chǎn)品工作范圍內(nèi)的CTR的上下限值。

C、受IF影響。從上圖（Ta-CTR 關(guān)系圖）也可看出在不同IF時，CTR也不同。下圖是EL871A的手冊中的IF-CTR圖，可以更直觀地看出IF與CTR的關(guān)系。

3、光耦時延

幾乎所有有輸入輸出的IC都會有傳輸信號延時的問題，光耦也不例外，但是不知道為啥EL871A的手冊居然沒有給出延時的參數(shù)（差評），只給了上升沿和下降沿的時間，長達18us，可能是廠商覺得這個光耦比較低端，僅上下沿的時長就達18us,在討論傳輸延時就沒啥意義了。

但是延時特性是光耦一般都要考慮的特性，特別在傳輸高速信號的應(yīng)用中，比如光耦6N135可傳輸1Mbit/s的高速信號，它的手冊就給出了傳輸延時的參數(shù)。

下圖給一個實測的延時波形讓大伙感受感受（ch4 原邊（紅），ch2 副邊（綠））