光耦设计方法

摘要：分析光耦各个指标参数的含义,以及日常设计中的注意事项,涉及CTR和延时。

关键字：光耦 CTR 延时

1 引言

光耦作为一个隔离器件已经得到广泛应用，无处不在。一般大家在初次接触到光耦时往往感到无从下手，不知设计对与错，随着遇到越来越多的问题，才会慢慢有所体会。

本文就三个方面对光耦做讨论：光耦工作原理；光耦的CTR概念；光耦的延时。本讨论也有认识上的局限性，但希望能帮助到初次使用光耦的同事。

1 理解光耦

光耦是隔离传输器件，原边给定信号，副边回路就会输出经过隔离的信号。对于光耦的隔离容易理解，此处不做讨论。

以一个简单的图（图.1）说明光耦的工作：原边输入信号Vin，施加到原边的发光二极管和Ri上产生光耦的输入电流If，If驱动发光二极管，使得副边的光敏三极管导通，回路VCC、RL产生Ic,Ic经过R L产生Vout，达到传递信号的目的。原边副边直接的驱动关联是CTR（电流传输比），要满足Ic≤If*CTR。

图.1

光耦一般会有两个用途：线性光耦和逻辑光耦，如果理解？

工作在开关状态的光耦副边三极管饱和导通，管压降<0.4V，Vout约等于Vcc（Vcc-0.4V 左右），Vout大小只受Vcc大小影响。此时Ic工作在线性状态的光耦，Ic=If*CTR，副边三极管压降的大小等于Vcc-Ic*R L，Vout= Ic*R L =(Vin-1.6V)/Ri * CTR*R L，Vout大小直接与Vin成比例，一般用于反馈环路里面 (1.6V是粗略估计，实际要按器件资料，后续1.6V同) 。

对于光耦开关和线性状态可以类比为普通三极管的饱和放大两个状态。

比较项目光耦三极管

电路图

前级电流If(=(Vin-1.6)/Ri)Ib(=(Vin-0.6)/Ri)

电流条件

Ic ≤ CTR*If Ic ≤β* Ib

理解：If确定，光耦副边电流通道大小

确定，实际的Ic不能大于该通道

理解：Ib确定，三极管副边电流通道大

小确定，实际的Ic不能大于该通道饱和/开关状态

当R L阻值大时，Vcc/R L < CTR*If

光耦导通时，Vout ~= 0 V

当R L阻值大时，Vcc/R L <β* Ib

三极管导通时，Vout ~= 0 V 放大/线性状态

当R L阻值小时，Vcc/R L > CTR*If

此时，光耦副边会提高光敏三极管的导

通压降，实际的Ic在电流通道内

(Ic = CTR*If)。光耦导通时，Vout输

出大小与Vin有线性关系。

当R L阻值小时，Vcc/R L >β* Ib

此时，三极管会提高管压降，实际

的Ic在电流通道内(Ic =β* Ib)。三

极管导通时，Vout输出大小与Vin有线

性关系。

所以通过分析实际的电路，除去隔离因素，用分析三极管的方法来分析光耦是一个很有效的方法。此方法对于后续分析光耦的CTR参数，还有延迟参数都有助于理解。

2光耦CTR

概要：1)对于工作在线性状态的光耦要根据实际情况分析；2)对于工作在开关状态的光耦要保证光耦导通时CTR有一定余量；3)CTR受多个因素影响。

2.1 光耦能否可靠导通实际计算

举例分析，例如图.1中的光耦电路，假设 Ri = 1k,Ro = 1k,光耦CTR= 50%，光耦导通时假设二极管压降为1.6V，副边三极管饱和导通压降Vce=0.4V。输入信号Vi是5V的方波，输出Vcc是3.3V。Vout能得到3.3V的方波吗？

我们来算算：If = (Vi-1.6V)/Ri = 3.4mA

副边的电流：Ic’≤ CTR*If = 1.7mA

假设副边要饱和导通，那么需要Ic’ = (3.3V – 0.4V)/1k = 2.9mA，大于电流通道，所以导通时，Ic会被光耦到1.7mA， Vout = Ro*1.7mA = 1.7V所以副边得到的是1.7V的方波。

为什么得不到 3.3V的方波，可以理解为图.1光耦电路的电流驱动能力小，只能驱动1.7mA的电流，所以光耦会增大副边三极管的导通压降来副边的电流到1.7mA。

解决措施：增大If；增大CTR；减小Ic。对应措施为：减小Ri阻值；更换大CTR光耦；增大Ro阻值。

将上述参数稍加优化，假设增大Ri到200欧姆，其他一切条件都不变，Vout能得到3.3V 的方波吗？

重新计算：If = (Vi – 1.6V)/Ri = 17mA；副边电流Ic’≤ CTR*If = 8.5mA，远大于副边饱和导通需要的电流(2.9mA)，所以实际Ic = 2.9mA。

所以，更改Ri后，Vout输出3.3V的方波。

开关状态的光耦，实际计算时，一般将电路能正常工作需要的最大Ic与原边能提供的最小If之间 Ic/If的比值与光耦的CTR参数做比较，如果Ic/If ≤CTR，说明光耦能可靠导通。一般会预留一点余量（建议小于CTR的90%）。

工作在线性状态令当别论。

2.2 CTR受那些因素影响

上一节说到设计时要保证一定CTR余量。就是因为CTR的大小受众多因素影响，这些因素之中既有导致CTR只离散的因素（不同光耦），又有与CTR有一致性的参数（壳温/If）。

1)光耦本身：以8701为例，CTR在Ta=25℃/If=16mA时，范围是(15%~35%)

说明8701这个型号的光耦，不论何时/何地，任何批次里的一个样品，只要在Ta=25℃/If=16mA这个条件下，CTR是一个确定的值，都能确定在15%~35%以内。

计算导通时，要以下限进行计算，并且保证有余量。计算关断时要以上限。

2)壳温影响：

Ta=25℃条件下的CTR下限确定了，但往往产品里面温度范围比较大，比如光耦会工作在（-5~75℃）下，此种情况下CTR怎么确定？还是看8701的手册：有Ta-CTR关系图：

从图中看出，以25度的为基准，在其他条件不变的情况下，-5度下的CTR是25度下的0.9倍左右，75度下最小与25度下的CTR持平。

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

3) 受If影响。

假设如果实际的If是3.4mA，那么如何确定CTR在If=3.4mA / Ta=(-5~75℃)条件下的最小CTR值。

查看8701的If-CTR曲线。图中给出了三条曲线，代表抽取了三个样品做测试得到的If-CTR曲线，实际只需要一个样品的曲线即可。

注：此图容易理解为下限/典型/上限三个曲线，其实不然。大部分图表曲线只是一个相对关系图，不能图中读出绝对的参数值。

计算：选用最上面一条样品曲线，由图中查出，If=16mA时CTR大概28%，在If=3.4mA 时CTR大概在46%。3.4mA是16mA时的46%/28% = 1.倍；

所以，在If=3.4mA / (-5~75℃)，CTR下限为 13.5% * 1. = 22.2%

以上所有分析都是基于8701的，其他光耦的特性曲线需要查用户手册，分析方法一样。

3光耦延时

上述CTR影响到信号能不能传过去的问题，类似于直流特性。下面主要分析光耦的延时特性，即光耦能传送多快信号。

涉及到两个参数：光耦导通延时t plh和光耦关断延时t phl，以8701为例：在If=16mA/Ic=2mA时候，关断延时最大0.8uS，导通延时最大1.2uS。所以用8701传递500k 以上的开关信号就需要不能满足。

下图是一个实测的延时波形（ch4原边（红），ch2副边（绿））

图.2

对于t p参数的设计更应该考虑余量，因为t p参数也受其他因素影响较多。

1) 受温度影响

8701的Ta-If特征曲线：温度升高，开关延时都会增大。

图.3

2) 受原边If大小影响

8701的tp-If特征曲线：If增大，关断延时减小，开通延时增大

图.4

3) 受副边Ic大小影响

8701的tp-R L特征曲线：R L减小，导通延时增大明显

图.5

针对具体电路的特点，计算最大延时时也是采用与CTR一样的方法，通过器件资料给

定特定环境下的准确范围，然后逐一通过三个曲线确定具体电路下的光耦最大延时。

注：同一个型号的光耦CTR/延时特性是一致的，不同光耦的延时特性不尽相同，所以

需要根据所用光耦的用户手册来确定。