光耦的工作原理光耦的CTR概念光耦的传递时延

CHANBAEK 2023-03-17 7587

描述

在设计电源时，我们常常会面对一个多“地”系统，而不同“地”回路之间又往往需要电信号交互，比如隔离电源原副边之间，全桥、半桥等拓扑中的“上管”驱动回路与功率回路之间。这就需要采用隔离的方式进行电信号传递了。

目前来说，项目中一般采用两种方式进行隔离，一是磁隔离，很多电源中都会采用“驱动变压器”来驱动“上管”，这样就不需要多设计一个辅助电源输出来给“上管”作为驱动电源了；二是光电隔离，也就是用得很普遍的光耦了，副边给原边电源管理芯片反馈输出电压、电流信号时一般都是使用光耦。但光耦是如何工作的，有哪些特性呢？

本文将对这三个方面做详细讨论——光耦的工作原理、光耦的CTR概念以及光耦的传递时延。

光耦的工作原理

以一个简单的图（图1）来说明光耦的工作：原边输入电压Vin，使流过光耦原边的发光二极管为If，发光二极管在电流If的驱动下，发出一定的光强照射到副边光敏三极管的基极，产生基极电流使得三极管ce间流过电流Ic，Ic流过R2产生输出电压信号Vout。这就达到了隔离传递信号的目的。原边副边直接的驱动关联是CTR（电流传输比）。

CTR

图1

光耦可作为两种用途：线性光耦和逻辑光耦。

工作在开关状态的光耦，其副边三极管饱和导通，管压降很小（约<0.4V），此时输出Vout 约等于 VCC（VCC-0.4V），亦即Vout仅受VCC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×R2，Vout= Ic×R2=(Vin-Vd)/R1×CTR×R2，Vout大小直接与 Vin 成比例，一般用于隔离电源的反馈环路中 (Vd为发光二极管的压降，下同)。

用途	设计条件
逻辑电路	Ic
线性电路	Ic=If×CTR

光耦的CTR

2．1光耦的可靠导通计算

CTR为电流传输比，在原边与副边的电流在一定范围内不限大小，CTR=Ic/If。所以对于图1，计算副边电流Ic的公式就有两个了，即

(1)	由原边If和CTR计算副边Ic	Ic=If×CTR
(2)	副边电路决定	Ic=(VCC-Vce)/R2

(Vce为三极管集电极与发射极之间的压降)

这两个计算公式，（1）用来设计线性传输时使用；（2）用来设计逻辑状态传输时使用，此式计算得到的Ic也是副边可流过的最大电流，此时Vce约为0.4V。

同时，我们也可以用这两个公式来分析一个光耦电路是用来做线性传输还是逻辑开关传输。下面举例分析一下。

如图2所示参数，光耦CTR为50%，发光二极管的压降为1.6V，三极管饱和状态时Vce为0.4V。

原边电流:If=（Vin-1.6V）/R1=3.4mA

用（1）式计算副边电流：Ic=If×CTR=1.7mA

用（2）式计算副边电流: Ic=(VCC-0.4)/R2=1.45mA

所以通过CTR计算得到的电流大于副边可流过的最大电流，也就是三极管饱和状态的电流，以此可知此电路为逻辑传输。

那么要保证该电路一直工作在线性状态，输入电压Vin范围如何？根据光耦逻辑电路设计条件Ic1.45mA，计算的Vin>4.5V，且应小于Vd，1.6V。即Vin<1.6V或Vin>4.5V。当然在实际项目中，Vin不能无限大，还需考虑光耦原边能承受的最大电流以及限流电阻R1的最大功耗等因素。同时，也不是高电平取个4.6V就可以，因为光耦CTR容易受到影响，设计时需要留有一定的裕量。

如果有一天光耦坏了，现在手上只有一个CTR为20%的光耦，能换上去使用吗？答案是不可以也是可以，为啥呢？分析一下， If×20%=0.68mA

CTR