光耦选型指南及各种参数说明.doc

光耦选型手册
光耦简介：
光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。
光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

光耦的分类：
（1）光电耦合器分为两种：一种为非线性光耦，另一种为线性光耦。
非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。常用的4N系列光耦属于非线性光耦。
线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。常用的线性光耦是PC817A—C系列。
（2） 常用的分类还有：
按速度分，可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。
按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。
按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV，20kV，30kV等）。
按输出形式分，可分为：
a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。
b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。
c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。
d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。

e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。
f、光开关输出型（导通电阻小于10Ω）。
g、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。
光耦的结构特点：
（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105～106Ω。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。
（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10μs左右，适于对回应速度要求很高的场合。

光耦的相关参数：
一、输入特性：
光耦合器的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性。常见的参数有：
（1）.正向工作电压Vf（Forward Voltage）
Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以If=20mA来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也会不一样。
（2）反向电压Vr（Reverse Voltage ）
是指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。在使用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。
（3）反向电流Ir（Reverse Current）
通常指在最大反向电压情况下，流过LED的反向电流。
（4）允许功耗Pd（Maximum Power Dissipation）
LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED。
（5）中心波长λp（Peak Wave Length）
是指LED所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色LED，会有几个不同的中心波长值。
（6）正向工作电流If（Forward Current）
If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED，其允许流过的最大电流也会不一样。
采用高效率的LED和高增益的接收放大电路可以降低驱动电流的需求。较小的If可以降低系统功耗，并降低LED的衰减，提高系统长期可靠性。如下图AVAGO光耦系列所示，HCPL-4701系列可做到40uA的导通电流，大大降低系统功耗。

（7）正向脉冲工作电流Ifp（Peak Forward Current）
Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED，通常LED规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电流来计算的。
二、输出特性：
光耦合器的输出特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，与普通的三极管类似。常见的参数有：
（1）集电极电流Ic（Collector Current）
光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。
（2）集电极-发射极电压Vceo（C-E Voltage）
集电极-发射极所能承受的电压。
（3）发射极-集电极电压Veco（E-C Voltage）
发射极-集电极所能承受的电压
（4） 反向截止电流Iceo
发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。
（5）C-E饱和电压Vce(sat)（C-E Saturation Voltage）
发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。
三、传输特性：
（1）电流传输比CTR（Current Transfer Radio）
输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。
（2）上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）
光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。
（3）传输延迟时间tPHL,tPLH：
从输入脉冲前沿幅度的50%到输出脉冲电平下降到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPHL。从输入脉冲后沿幅度的50%到输出脉冲电平上升到1.5V时所需时间为传输延迟时间tPLH。
四、隔离特性：
（1）入出间隔离电压Vio（Isolation Voltage）
光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。
（2）入出间隔离电容Cio（Isolation Capacitance）：
光耦合器件输入端和输出端之间的电容值
（3）入出间隔离电阻Rio：（Isolation Resistance）
半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。
（4） 共模抑制比CMTR

光耦合器的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）。此外，在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。
电流传输比是光耦合器的重要参数，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。
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国内和国际的有关隔离击穿电压的标准；由英国埃索柯姆（Isocom）公司、美国FAIRCHILD生产的4N××系列（如4N25、4N26、4N35）光耦合器，在国内应用地十分普遍。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。
光耦工作原理详解
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RL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，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Ic1.6V)/Ri * CTR*RL，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) 。 

光耦CTR详解
概要：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；CTR受多个因素影响。 
一、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 副边的电流限制：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，大于电流通道限制，所以导通时，Ic会被光耦限制到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限制副边的电流到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；副边电流限制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%）。 
 二、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/寿命）。 
（1）光耦本身离散性：下图是2801不同批次光耦的CTR，手册上一般给的都是If=5mA时的值，可以看到不同DATECODE的有差异，但CTR值都在规格（130-260）范围内。
J16(2009年第16周生产)的光耦在室温下的CTR
IF（VCE=5V）
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
5mA
177%
187%
183%
177%
178%
170%
177%
J25(2009年第25周生产)的光耦在室温下的CTR
IF（VCE=5V）
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
5mA
166%
147%
174%
174%
173%
210%
196%
同样以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。 
因此计算开关光耦的导通时，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） 温度影响：以8701为例
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） 原边电流IF影响
某一批次的2801 CTR值：
IF（VCE=5V）
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
1mA
88.3%
90.48%
90.57%
86.56%
87.1%
85.12%
87..39%
2mA
133%
130%
130%
125%
135%
122%
126%
3mA
150%
154%
154%
147%
151%
139%
150%
5mA
177%
187%
183%
177%
178%
170%
177%
IF不同，CTR不同，且差异非常大。
此时CTR计算可参考（以8701为例）：
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% = 1.64倍；
所以，在 If=3.4mA / (-5~75℃)，CTR下限为13.5% * 1.64 = 22.2%
（4） VCE的影响
Ic,If,Vce关系曲线：

由图表可看出：Vce必须大于一定电压，Ic才能达到最大，CTR值才会大； 设计，选型，替代注意：Vce在电路应用中，保证设计有一定的电压值，否则Ic将较小，CTR将较小，一般设计Vc应大于3V。
（5） 寿命影响

CTR值与工作时间，工作电流，工作温度关系曲线

由图表可看出：工作时间越长，CTR值越小；工作温度越高，CTR值越小； 工作电流越大，CTR值越小；在设计选型时，在规格书规定的工作环境温度下，为了保证产品足够寿命，需要选取合适的工作电流。

通过以上影响CTR的因素，离散性、温度、If、VCE、寿命，这几个因数综合起来，结合电路设计的功耗，确定If，根据现场使用环境确定温度范围，确定CTR值的下限。根据CTR值的下限及传输速率要求，确定原边及副边的负载电阻。

光耦的传输特性
前面介绍光耦的参数时介绍涉及传输特性的几个参数，上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time），传输延迟时间tPHL及tPLH。这几个参数在不同光耦厂家的定义略有不同，但表征意义基本相同。
由于光耦自身存在分布电容，对传输速度造成影响，光敏三极管存在分布电容Cbe。

由于CB间接电容的存在，造成输入与输出信号间有个延迟时间，部分光藕在使用中将B极与地间加个电阻来减少延迟时间；
设计，选型，替代注意：在设计选型时，要了解光耦在信号传输时，有时间的延迟问题，因此选型根据产品的工作频率来选定不同传输速率的光耦，部分可通过调整电阻来改变频率响应；

一、光耦的传输延时tPHL及tPLH：以8701为例

涉 及到 两个参 数： 光耦导通延时 tphl 和 光耦关断 延时 tplh ， 以 8701 为例 ：在
If=16mA/Ic=2mA 时候，导通延时最大 1.2uS，关断延时最大 0.8uS。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））

对于 tp 参数的设计更应该考虑余量，因为 tp 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。

（2） 受原边If大小影响
8701 的 tp-If 特征曲线：If 增大，导通延时减小，关断延时增大。

（3） 受副边 Ic 大小影响
8701 的 tp-RL 特征曲线：RL 增大，关断延时增大明显。

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。

二、光耦的上升时间Tr （Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）
在某些厂家的光耦手册中，并没有TPHL和TPLH的数据，只有Tr、Tf、Ton、Toff的概念，此时分析光耦的传输特性可与上文中传输延时分析方法一致。导通和关断的延时主要是受制于输入电流和输出负载限制。
以下是台湾亿光光耦手册给出的数据：

测试条件为If=16mA，实际设计中输入电流由于功耗的限制不可能这么大，因此需要找厂家确定我们选定的If值时的经验曲线。
此时分析光耦的传输速率需计算ton和toff。当If增大时，导通延时减小，关断延时增大。 例如LZ是9600通讯，最短脉冲时间=104uS。信号经过光耦之后，高低电平的时间参数不能有太大的变化，取20%即20uS。看参数定义，必须同时满足tON<20uS，tOFF<20uS。

开关光耦的参数计算再确定好输入和输出的电压后，就是输入和输出负载电阻的计算。确定两个负载电阻，首先计算CTR值的在各种影响因素下的下限值，主要是If、全温度范围、离散性、寿命。确定好CTR下限值后，再确定光耦的传输速率，根据传输速率的要求，确定输出端的负载电阻。根据输出端电阻计算输入端负载电阻。由于厂家手册给出的曲线一般都是在IF较大的情况下的数据，但在实际设计中考虑到功耗要求，If值一般较小，因此需要同原厂技术人员沟通下，给出一个经验值来供我们参考计算。再计算后相关参数后，最好进行相应的实测，验证自己的计算结果。