光耦隔离（驱动）电路
（V1.0）
一、
本文件的内容及适用范围
本文详细分析了非线性光耦的结构、重要参数，并以此为依据讲解了光耦的应用设计原则及隔离（驱动）电路的设计步骤与方法，最后对单片集成数字隔离器做了简单介绍。适用于作为艾诺公司开发工程师新项目硬件开发过程、产品设计修改过程、产品问题分析过程、工程师培训的指导性模块与参考文件。
本文中的“光耦”指非线性光耦。本文中的过程与方法不能完全应用于线性光耦。 二、
光耦
光电耦合器optical coupler/optocoupler,简称光耦。是设计上输入与输出之间用来电气隔离并消除干扰的器件。因线性光耦特有其特点及设计方法，本文在此仅单独讨论在公司产品上广泛应用非线性光耦。 2.1 光耦在公司仪表上的主要应用
根据光耦的类型在公司仪表上主要有以下几个方面的应用：
1、数字信号隔离：非线性光耦，如6N137对高速数字信号如SPI、UART等接口的隔离。 2、模拟信号隔离传递：线性光耦。隔离&驱动：普通输出型，如TLP521对IO信号的隔
离；达林顿输出型主要用于需要大驱动电流的场合，如继电器的驱动和隔离。 2.2 公司主要应用的主要非线性光耦类别、型号及参数特点
主要类别：
1、通用型：TLP521、PC817等。
2、数字逻辑输出型（高速、带输出控制脚）：6N137及其变种HCPL06系列等。 3、达林顿输出型：4N30、4N33等。
4、推挽输出型（MOS、IGBT驱动专用）：TLP250、HCPL316等
艾诺公司截止到2010年12月常用光耦型号统计及分类见表格《艾诺光耦201012.XLS》。 2.4 光耦基础知识 1、光耦结构及原理示意
光耦的主要构成部分：LED（电->光）、光电管（光->电）、电流放大（Hfe）部分。
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非线性光耦按输出结构分为：普通型、达林顿输出型（高电流传输比，带\\不带基极引脚）、逻辑输出型（高速或有控制端）、专用型（内部带推挽，如MOS/IGBT驱动光耦）、双向光耦（LED部分为两个发光管反向并联，可响应交流信号）。
光耦内部结构示意图
图1，光耦一般原理图
图2，光耦原理示意图
图3，带基极引脚的光耦原理示意图
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图4，达林顿输出型（不带基极引脚）示意图
图5，达林顿输出型（带基极引脚）示意图
图6，输出带控制的光耦示意图
图7，IGBT/MOS专用光耦（内部带推挽）
图8，双向光耦（在公司应用极少，本文未包括相关内容）
2、光耦的主要参数简介
（1）VISO（或BVS）isolation voltage隔离电压：输入端与输出端之间可以承受的交流电压最大值。一般情况下，只在有限的测试时间内有保证（如1分钟）。
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（2)Topr ,operating temmprature工作温度：器件正常工作所允许的温度范围。是指环境温度。当温度上升，器件带载（承受功耗）能力下降。
TPL521的工
作温度范围是环境温度-55~+100度。
（3）IF，Forward Current of LED，发光管能够允许的正向电流最大值，二极管流过电流不超过If时，在环温25度下，保证不会因为功耗而损坏。
TLP521-1的LED正向电流允许最大值为70mA。
（4）VR，reverse voltage of LED，发光管所能承受的最大反向电压。超过此电压，发光管会有突然增大的反向电流且无法发光，会导致光耦损坏或无法恢复的规格下降发生。
（5）PD(C/T)，power dissipation,环温25度时，光耦所能允许的最大功耗。环温温度上升，此值下降(derating)。
TLP521在25度环温时允许的最大功耗为0.25W。
（6）VCEO, collector to emitter voltage of phototransistor 当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大C-E电压。
（7）VECO ，emitter to collector voltage of phototransistor 当发光管没有流过电流时，光电管能够承受的最大E-C电压。
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如，TLP521的VECO仅7V，CEO为55V。瞬间的过压降会导致器件参数不可恢复的规格下降，或者损坏。
（8）IC，collector current of phototransistor,光电管在环温25度时集电极能够流过的电流的最大值。它能够保证光电管工作于PC以下。
如，TLP521的集电极电流值限制为50mA（max）。
（9）CTR，Current Transfer Ratio，电流传输比。当VCE固定，光电管Ic与If之比。
CTR = (IC /IF) X 100%
（10）RS，isolation resistance,初次级绝缘电阻。
如，TLP521测试500V绝缘（在小于60%湿度环境下），绝缘电阻大于10G欧。
Cs ， isolation capcitance，绝缘电容，高频信号加到器件上时，输入输出之间的等效电容。由于此电容的存在，当存在强烈干扰或者输入、输出的电位高速变化时，光耦引脚上可能会出现意料不到的干扰信号。
（11）VF ，forward voltage of LED,发光管流过正向电流时产生的压降，VF和IF构成发光管的功耗。一般温度一定时，IF越大，VF越大。IF一定时，环温越高，VF越低。
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（12）IR，Reverse current of LED,发光管承受一定反压时流过发光管的反向电流。一般反压越大，环温越高，此电流越大。
（13）CT，teminal capacitance of LED，发光管两端寄生电容。当高速应用时，光耦关断瞬间此电容上积累的电荷如不能被快速放掉的话，会有少量电流持续通过了发光管放电，从而导致关断被延迟。
（14）ICEO，发光管上没有流过电流时（未发光），光电管上的漏电流，俗称暗电流。一般，CE结承受电压越大此电流越大。环温上升会导致此电流变大。
（15）Vce(sat)，光电管饱和压降。
开关特性参数，主要包括开启时间、关断时间等
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三、
光耦隔离（驱动）电路
光耦隔离（驱动）电路是指使用光耦器件实现隔离（如隔离SPI数字总线）、隔离&驱动（如驱动继电器、发光体等）的硬件电路。 3.1 隔离/驱动电路的类别
1、数字总线隔离。如使用6N137实现SPI、UART等隔离。
2、普通IO数字信号隔离。如使用TLP521实现测量板与主控板间普通IO信号的隔离。 3、隔离&驱动。如使用4N33实现主控板与继电器（开关量）板的隔离以及继电器的驱动。
3.2 各类别控制电路的主要器件
1、串行数字总线隔离：光耦、如需要增加晶体管。 2、普通IO数字信号隔离：光耦。
3、隔离&驱动：光耦、被驱动器件（如继电器）。 四、
各类别光耦控制电路设计及使用注意事项（实例）
4.1光耦器件设计中应用时应重点注意的参数及基本知识 （1）器件最大允许功耗（带载能力）随环境温度而降低
例如下图TLP521发光管功耗-环温图，如果器件环境温度有可能达到80度，则光电管部分静态功耗设计不应超过70mW。
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同样的可以算出发光管的功耗以及总功耗。
如果规格书同时给出了PD（发光管功耗最大值）、PC（光电管功耗最大值）、PT（总功耗最大值），则设计的器件实际功耗应低于这三个值中的最小者。 （2）VCEO与VECO要求
以TLP521为例，“TLP521光耦VCEO为55V，VECO为7V。”
这要求设计者设计的电路，TLP52次级电源不能高于55V，实际中降额一半使用时，即不超过24V，这样可保证不会正向击穿。
VECO仅为7V，当次级电源有可能有反向电压毛刺或者使用环境较为恶劣（例如次级作为用户接口输出），可以在次级反向并联1N4148（注意限流）或者正向串联1N4007保护，可保证不会反向击穿。 （3）CTR的稳定
影响CTR稳定的三个因素：IF大小、环境温度、长时间工作（老化）。详述如下： A, LED正向电流IF大小
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4N33 ：CTR对IF，归一化曲线
设计发光管正向电流6mA左右时4N33具有最大的电流传输比。当归一化标准不同时，曲线形状不同，但大部分规格书只给出一种曲线，开发者可以参考曲线进行设计。
B，环境温度影响：
CTR温度特性的构成：发光管的温度特性+光电管的温度特性=CTR的温度特性，如下图。LED发光效率反比于环境温度，感光管电流放大系数正比于环境温度，两者共同作用导致CTR对温度的关系可被描述为近似先升后降的曲线。
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4N33：CTR对环温的归一化曲线，
归一标准为If = 10mA@25摄氏度(查规格表得此时CTR = 500%)
设计者应保证在器件实际工作温度范围内的最小CTR能够产生足够大的IC去驱动负载。
C，LED老化的影响： 例图：
NEC的PS2801：CTR对工作时间
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随工作时间的积累，光耦的CTR会变低（主要是因为发光管转换效率变低，也就是发光管老化）。光耦工作的LED正向电流越小，老化越慢。环境温度越高，老化越快。因此，用合适的IF值，并与热源有足够间距能够延长光耦的使用寿命。
CTR设计原则总结：
1、 根据需要的IC，计算合适的IF，得到合适的CTR。
2、 温度范围内最小的CTR所输出的集电极电流仍能保证可靠工作，考虑到延长使用寿命的因素，这个值应至少再降额到75%。 3、 IF越小，老化越慢。不要靠近热源。
（5）速度
影响光耦速度的三个因素：负载电阻大小、光电管的hfe、光电管的结电容Ccb。详述如下：
TLP521开关时间对负载电阻关系
其中，负载电阻和结电容的影响是我们可以控制的。TLP521负载电阻越大，ts及toff越大，这是因为CCB的放电回路时间常数越大，放电越慢。因此提高速度主要有2个办法：减小RL，减小结电容影响；增大LED的发射电流，加快感光管的响应速度。
如光耦LED的驱动器件输出电流能力有限，可增加一级射极输出推挽开关电路，比如公司产品电路中常用的2SC2712+2SA1037的方式。
此电路需要注意的是：
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a注意晶体管的C 、 E不要接错成为共射电路。共集电路（射随开关）因没有Miller电容效应，具有更好的频率特性，不会因这部分电路的速度限制了6N137的速度。
b因共集开关电路的基极电流最大值被电路型式自然限流为IC（max）/Hfe，故可以不加基极限流电阻。如考虑到减缓边沿、抑制EMI的因素需要在源端基极串接电阻，设计者应保证串电阻后基极电流不能小于IC（max）/Hfe->错误、无响应的问题出现（如在3.3V电源下推挽电路基极串接10K基极电阻去驱动6N13。过大的基极电阻会导致：基极电流降低->射极电流降低->光耦发光管电流不够->速度降低7，6N137隔离3MHz的SPI，出现读数错误现象）。
（6）直接驱动POWER-MOS或IGBT：使用专用光耦
因功率MOS管CGS电容的影响，需要前级驱动光耦内阻足够小，带载能力足够大，否则这个RC时间常数会导致MOS管关断很慢。而普通高速光耦如6N137驱动能力较有限，需配合推挽电路调整阻抗和驱动能力。专用光耦内部已集成低阻抗高输出能力的推挽结构，直接选用即可。
TLP250内部结构
电路设计中若使用普通光耦直接驱动MOS管，只能在频率很低或无频率要求（仅低速控制用，非高频开关）的情况下使用；如果是使用普通光耦直接驱动MOS对管，死区时间应该足够大，并增加推挽电路。
（7）光耦输出端的基极：速度问题、暗电流导致的输出错误、干扰问题的可选解决途径。【注意：本小节的内容主要来自NEC公司：《Optocoupler Application》及相关文档，未经实验验证，在此列出仅供参考】
有些光耦（如4N33）封装带基极引脚。基极的作用分几种情况：
a、提高速度。对于高速光耦，基极脚接电阻能极大减小toff，也就是能够提高速度。
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b、消除光耦驱动高阻抗负载时暗电流所引起的电平错误，提高输出电平的稳定性。光电管基极接电阻能够消除暗电流的影响，（尤其是对于达林顿型高Hfe的光耦）在温度、环境变化时稳定输出电平，极大提高驱动高阻值负载时的可靠性。
c、提高抗干扰性能。当有强烈的干扰（如EMC实验），基极接电容能够削弱干扰。 详述如下：
A，提高速度：光电管结电容导致光耦关断被延迟，RBE提供结电容放电回路。
因CCB的存在导致toff变大，光耦关断变慢。
在器件外部基极到地接200k电阻，极大减小了toff，但输出电平也降低了，原因是RBE分了一部分基极电流，B极净电流减小，IC = Hfe *IB 变小，CTR下降，见下图（4N33规格书）：
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可以根据规格书曲线的标示选取大一些的电阻如1~10M欧，可得到合适的电流或电压。
B.稳定输出（削弱暗电流影响）
这是暗电流随环境温度变化曲线，当温度上升，暗电流增大。如果负载电阻足够大（例如光耦输出端接了几百K的上/下拉电阻），电阻压降将导致输出电平错误，输出误动作等问题。此时可以通过接RBE来解决。一般RBE可取几百K到几M之间。
C．削弱干扰，增强共模瞬变抑制能力
当干扰足够强（如ESD或者EFT实验）时，由于分布电容C1-2、结电容CCB的存在，被隔离一侧的干扰会耦合出现在另一侧引脚上。
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测试电路，VIN为1000V/uS浪涌电压
基极悬空，发光管短路，理论上因光耦的隔离作用，次级不应出现任何输出电压。实际上，初次级间的干扰通过C1-2、Ccb耦合到光电管B极，导致出现错误输出。见下图：
改进方法1：增加一个电容CBE=100pF
效果：
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可以看到干扰信号的幅值变小。
改进方法2：剪掉B极引出脚
上图：剪掉B极引脚前，下图：剪掉B极引脚后。
可以看到干扰信号的宽度变窄。
某些高速光耦如6N137，本身具有对这种干扰的抑制能力，其规格书中一般会给出Common Mode Transient Immunity参数，见下图：
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（摘自6N137规格书）
共模瞬变抑制能力的测试方法（摘自6N137规格书）
（8）CE对光耦隔离距离的要求：
CE认证对光耦安装到印制板后被隔离两侧的导体间距有严格要求，在此对于需要考虑CE认证的设计，需要注意以下2点：
A, 光耦器件下方（两引脚之间）不能有走线。
B，应选用引脚间距大于6毫米的插件光耦。（如选用贴片需经过验证方确认）。 （9）驱动（器件）的默认状态：
驱动继电器、MOS管、隔离的IO信号应注意默认状态问题。设计者注意检查开关机、异
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常条件下信号的默认状态下的可靠性。
4.2光耦隔离（驱动）电路设计过程与实例
设计过程：
（1）确定电路型式，分析隔离（驱动）需求；
确定隔离的需求，如隔离速度要求，隔离类型是高速数字隔离，还是低速数字隔离、隔离功率驱动，或者是用户接口的隔离等等。确定电路型式及所需要计算元件参数。 （2）选择光耦，分析器件参数；
根据速度要求、输出电流能力、功耗、绝缘电压等选择光耦。并分析光耦的参数。 （3）计算相关过程参数（注意降额）；
计算光耦隔离两端的电流、电压，电流传输比及外围器件的工作条件。注意CTR会随正向电流、温度、时间而变化，应留出足够的余量。某些高速光耦（如6N137）输出是数字逻辑，未给出明确的CTR，可以根据给出的推荐工作参数设计电路。 （4）计算器件参数；
根据过程参数最终计算确定所有器件的参数。
下面通过实例详述设计过程。
实例1 4N33隔离驱动G5SB-14继电器 步骤1：确定电路形式，确定需要计算的参数。
隔离电压2500V/1MIN。速度要求：低速。隔离类型：低速IO控制信号隔离，需要一定的驱动能力。
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图中需要确定V2电源的值以及计算一个电阻R1的值。 步骤2：确定V-2电源 继电器coil的规格：
光耦：
因此可设计次级电源V-2 = +12V，可保证继电器线圈电压为>10V，远小于光耦击穿电压30V。
如果电源电压较高，，因继电器COIL允许的最大工作电压为1.5倍的额定电压，需要串入合适的电阻，使继电器的工作电流和电压有足够的余量。
步骤3：估算光耦的IC(MAX)
光耦IC(MAX) = [12V-VCE(SAT)MIN]/RCOIL(MIN) = 11/(360-36) = 34mA<150mA 34mA*1V = 34mW（1V是饱和压降最大值） 步骤4：估算最坏情况下的CTR(MIN)
CTR降额是要达到这样的目的：在外界的最坏情况下，以及器件离散性的最坏情况下，能够保证继电器得到足够的吸合电流。也就是估算一个CTR在最坏情况下的最小值，通过这
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个最小值得出能够让电路可靠工作的足够大的IF。
CTR最小值：500%（参考规格书，下图），估算此时IF约需要34/5 = 7mA，即IF至少应大于7mA，否则可能会因为器件的离散性而不能保证可靠工作。
CTR对温度降额：
假设最坏情况器件周围环境温度为80度，则上图对应IF=10mA@80℃曲线CTR会下降到归一化值（10mA@25℃）的0.8倍，IF=5mA@80℃下降为归一化值的0.95倍。估算IF=7mA@80℃时约下降为归一化值的0.9倍左右。
所以CTR温度降额后的最小值应是500%*0.9 = 450%；进一步对CTR寿命降额，把此值再乘0.75（或0.5）【对寿命降额后，当光耦工作时间过长，导致CTR降低到初始值的75%时（或50%时），仍能够保证后级可靠工作】，CTR(MIN)=（500%@IF=10mA/25℃）*0.9=450%*0.75 =337.5% 。
步骤5：计算IF
IF的取值原则为不小于实际的集电极电流除以上述计算出的CTR值。 IF> IC/CTR(MIN)
即IF > 34/（337.5%） = 10.07mA 步骤6：LED的VF。 规格书：
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通过规格书得知IF = 10mA时，在温度范围内，正向压降约1.05~1.25V之间。 步骤7：计算R1值。 R1 = (V1-VF-VCTL)/IF;
其中：V1为LED电源电压+5V，VF为1.2V正向压降，VCTL为控制信号“0”电平的电压大小，我们假定为0.3V。
得出：
R1 = （5-1.2-0.3）/0.010 = 350欧；我们取R1=300欧电阻即可（IF=11.6mA）。
【注意事项】4N33达林顿管的高Hfe以及暗电流
因继电器线圈的直流电阻一般都较小（1K以下）， 4N33的微弱暗电流（ICEO=4uA@100℃）造成继电器误动作的可能性较小。但若使用4N33驱动具有一定阻抗的器件或者对电流敏感的器件（如高亮LED），PCB布线中应注意4N33基极与其他信号线保持足够距离，并避免光的直接照射。避免悬空的基极拾取微弱电流或者器件封装上的光照造成暗电流增大引起误动作或逻辑错误。
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实例2 串口通信隔离（6N137）
步骤1：确定电路型式，确定需计算的参数
速度要求：满足19200波特率；驱动能力：无特殊要求。
因6N137的开关时间特性均未超过微秒，远小于50uS的位速率，只要设计合理就能够保证速度。
电路型式如上图，需计算的参数：LED限流电阻阻值；输出上拉电阻阻值。 步骤2：估算6N137的IF、IC。
推荐工作条件：IF =（6.3mA到15mA） IC=不超过8mA。 可靠性、速度：
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RL最好不要超过1K；速度随温度、环境变化不大。IC取4到5mA左右。 步骤3：计算输出上拉电阻值 以TX一路为例； 6N137:
R5 = (5V-VOL)/IC = （5V-0.6）/（4~5）mA
RC = 1K ；R5与后级电路输入电阻并联构成实际的RL，约等于1K。 步骤4：计算LED限流电阻、三极管限流电阻。 取VF(PNP)=0.7V； LED的VF：
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取VF(LED) = 1.5V；另，根据IF推荐值为大于6.3mA小于13mA；设三极管基极输入电压VIN为0.1V，则有：
VCC-IF*R3-VF(LED)-VF(PNP)-VIN = 0;
3.3V-(6.3mA~15mA)*R3 – 1.5V-0.7V -0.1= 0；
可以取R3=120欧（实际得到IF约为7mA~10mA左右）。
【注意事项】射极输出推挽开关电路
a注意晶体管的C 、 E位置,不要接错成为共射电路。
B 三极管基极电流要保证不小于（最好远大于）IC（max）/Hfe（min）。
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附录：单片集成数字隔离器简介
单片集成数字隔离器可以替代光耦实现高速数字隔离，主要有AD、TI、silicon lab、AVAGO等厂商提供数字隔离器。ADUM系列内部使用芯片级变压器实现磁耦合的隔离方式，目前已有下表的两个器件成功应用于某些项目中，较之光耦隔离，使用这种器件隔离方式具有外围器件少、设计简单、集成度高、功耗低、节省体积、可靠性高等优点，但成本偏高，器件应用成熟程度还有待项目应用过程的确定。
0109727 IC-双向数字隔离器-AD ADuM1250ARZ(SOIC-8) 0109735 IC-4通道数据隔离器
参考文献:
1、 NEC公司,California Labratories : Opticoupler Application.
2、 FairChild公司：4N33 General Purpose 6-pin Photodalington Optocoupler datasheet。 3、 FairChild 公司：6N137 High Speed-10MBit/s Logic Gate Optocoupler datasheet. TOSHIBA公司：TLP521 GaAs IRED & PHOTO-TRANSISTOR.
ADuM1400BRW(SOIC-16) 25
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