光耦引數的理解 by mmax
摘要：分析光耦各個指標引數的含義,以及日常設計中的注意事項,涉及ctr和延時。
關鍵字：光耦 ctr 延時
1 引言
光耦作為乙個隔離器件已經得到廣泛應用，無處不在。一般大家在初次接觸到光耦時往
往感到無從下手，不知設計對與錯，隨著遇到越來越多的問題，才會慢慢有所體會。
本文就三個方面對光耦做討論：光耦工作原理；光耦的ctr 概念；光耦的延時。本討論
也有認識上的侷限性，但希望能幫助到初次使用光耦的同事。
1 理解光耦
光耦是隔離傳輸器件，原邊給定訊號，副邊迴路就會輸出經過隔離的訊號。對於光耦的
隔離容易理解，此處不做討論。
以乙個簡單的圖（圖.1）說明光耦的工作：原邊輸入訊號vin，施加到原邊的發光二極
管和ri上產生光耦的輸入電流if，if驅動發光二極體，使得副邊的光敏三極體導通，迴路
vcc、rl 產生ic,ic經過rl產生vout，達到傳遞訊號的目的。原邊副邊直接的驅動關聯是
ctr（電流傳輸比），要滿足ic≤if*ctr。（注意是小於即可）
圖.1光耦一般會有兩個用途：線性光耦和邏輯光耦，如果理解？
工作在開關狀態的光耦副邊三極體飽和導通，管壓降<0.4v，vout約等於vcc（vcc-0.4v
左右），vout大小只受vcc大小影響。此時ic對於光耦開關和線性狀態可以模擬為普通三極體的飽和放大兩個狀態。
所以通過分析實際的電路，除去隔離因素，用分析三極體的方法來分析光耦是乙個很有
效的方法。此方法對於後續分析光耦的ctr 引數，還有延遲引數都有助於理解。
2 光耦ctr
概要：1)對於工作**性狀態的光耦要根據實際情況分析；2)對於工作在開關狀態的光
耦要保證光耦導通時ctr 有一定餘量；3)ctr受多個因素影響。
2.1 光耦能否可靠導通實際計算
舉例分析，例如圖.1中的光耦電路，假設ri = 1k,ro = 1k,光耦ctr= 50%，光耦導通
時假設二極體壓降為1.6v，副邊三極體飽和導通壓降vce=0.4v。輸入訊號vi 是5v的方波，
輸出vcc是3.3v。vout能得到3.3v 的方波嗎？
我們來算算：if = (vi-1.6v)/ri = 3.4ma
副邊的電流限制：ic』 ≤ ctr*if = 1.7ma
假設副邊要飽和導通，那麼需要ic』 = (3.3v – 0.4v)/1k = 2.9ma，大於電流通道限
制，所以導通時，ic會被光耦限制到1.7ma，vout = ro*1.7ma = 1.7v
所以副邊得到的是1.7v 的方波。
為什麼得不到3.3v 的方波，可以理解為圖.1 光耦電路的電流驅動能力小，只能驅動
1.7ma 的電流，所以光耦會增大副邊三極體的導通壓降來限制副邊的電流到1.7ma。
解決措施：增大if；增大ctr；減小ic。對應措施為：減小ri阻值；更換大ctr 光耦；
增大ro 阻值。
將上述引數稍加優化，假設增大ri到200歐姆，其他一切條件都不變，vout能得到3.3v
的方波嗎？
重新計算：if = (vi – 1.6v)/ri = 17ma；副邊電流限制ic』 ≤ ctr*if = 8.5ma，遠
大於副邊飽和導通需要的電流(2.9ma)，所以實際ic = 2.9ma。
所以，更改ri後，vout輸出3.3v 的方波。
開關狀態的光耦，實際計算時，一般將電路能正常工作需要的最大ic與原邊能提供的
最小if 之間ic/if 的比值與光耦的ctr 引數做比較，如果ic/if ≤ctr，說明光耦能可靠
導通。一般會預留一點餘量（建議小於ctr 的90%）。
工作**性狀態令當別論。
2.2 ctr受那些因素影響
上一節說到設計時要保證一定ctr 餘量。就是因為ctr的大小受眾多因素影響，這些因
素之中既有導致ctr只離散的因素（不同光耦），又有與ctr 有一致性的引數（殼溫/if）。
1)光耦本身：以8701為例，ctr 在ta=25℃/if=16ma時，範圍是(15%~35%)
說明8701 這個型號的光耦，不論何時/何地，任何批次裡的乙個樣品，只要在ta=25℃
/if=16ma 這個條件下，ctr 是乙個確定的值，都能確定在15%~35%以內。
計算導通時，要以下限進行計算，並且保證有餘量。計算關斷時要以上限。
2)殼溫影響：
ta=25℃條件下的ctr 下限確定了，但往往產品裡面溫度範圍比較大，比如光耦會工作
在（-5~75℃）下，此種情況下ctr 怎麼確定？還是看8701 的手冊：有ta-ctr關係圖：
從圖中看出，以25 度的為基準，在其他條件不變的情況下，-5 度下的ctr 是25 度下
的0.9 倍左右，75 度下最小與25 度下的ctr 持平。
所以在16ma/(-5~75℃)條件下，8701的ctr 最小值是15%*0.9 = 13.5%
3) 受if 影響。
假設如果實際的if是3.4ma，那麼如何確定ctr在if=3.4ma / ta=(-5~75℃)條件下的
最小ctr 值。
檢視8701 的if-ctr 曲線。圖中給出了三條曲線，代表抽取了三個樣品做測試得到的
if-ctr 曲線，實際只需要乙個樣品的曲線即可。
注：此圖容易理解為下限/典型/上限三個曲線，其實不然。大部分圖表曲線只是乙個相
對關係圖，不能圖中讀出絕對的引數值。
計算：選用最上面一條樣品曲線，由圖中查出，if=16ma 時ctr 大概28%，在if=3.4ma
時ctr 大概在46%。3.4ma 是16ma 時的46%/28% = 1.64倍；
所以，在if=3.4ma / (-5~75℃)，ctr下限為 13.5% * 1.64 = 22.2%
以上所有分析都是基於8701 的，其他光耦的特性曲線需要查使用者手冊，分析方法一樣。
3 光耦延時
上述ctr 影響到訊號能不能傳過去的問題，類似於直流特性。下面主要分析光耦的延時
特性，即光耦能傳送多快訊號。
涉及到兩個引數：光耦導通延時tplh和光耦關斷延時tphl，以8701 為例：在
if=16ma/ic=2ma 時候，關斷延時最大0.8us，導通延時最大1.2us。所以用8701 傳遞500k
以上的開關訊號就需要不能滿足。
下圖是乙個實測的延時波形（ch4 原邊（紅），ch2副邊（綠））
對於tp引數的設計更應該考慮餘量，因為tp引數也受其他因素影響較多。
1) 受溫度影響
8701 的ta-if特徵曲線：溫度公升高，開關延時都會增大。
2) 受原邊if大小影響
8701 的tp-if特徵曲線：if增大，關斷延時減小，開通延時增大
3) 受副邊ic大小影響
8701 的tp-rl特徵曲線：rl減小，導通延時增大明顯
針對具體電路的特點，計算最大延時時也是採用與ctr 一樣的方法，通過器件資料給
定特定環境下的準確範圍，然後逐一通過三個曲線確定具體電路下的光耦最大延時。
注：同乙個型號的光耦ctr/延時特性是一致的，不同光耦的延時特性不盡相同，所以
需要根據所用光耦的使用者手冊來確定。
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