分享一些实用的知识：光耦的实践应用及选型指南

在之前的文章中曾经谈到过ISOCOM光耦，大致介绍了光耦的分类和主要应用市场。本篇文章将聚焦于光耦的应用分类和选择。

之前的文章也提及，光耦的应用市场比较广泛，具体到电子产品的电路实现功能：电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路，以及电路信号处理：斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大，以及接口电路的实现：固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口，光耦的表现都足够出色。光耦合器传输的信号可以为数字信号，也可以为模拟信号，用于模拟信号或直流信号传输时，应采用线性光耦以减小失真，而传输数字开关信号时，对其线性度的要求不太严格。对器件要求不同，故选择时应针对输入信号选择相应的光电耦合器。

在数字逻辑电路中，光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。在触发电路上，光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效的解决输出与负载隔离的问题。可以使用三极管型光电耦合器，常用于开关电源电路的输出电压采样和误差电压放大电路，也应用于变频器控制端子的数字信号输入回路。结构最为简单，输入侧由一只发光二极管，输出侧由一只光敏三极管构成，主要用于对开关量信号的隔离与传输。

在脉冲放大电路中，光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。

在线性电路上，使用线性光电耦合器保障具有较高的线性度以及优良的电隔离性能。线性光电耦合器，在电路中主要用于对mV级微弱的模拟信号进行线性传输，往往用于输出电流的采样与放大处理、主回路直流电压的采样与放大处理。

在应用于高压控制的继电器场合，光耦可以取代变压器，保证控制电路和开关之间要有很好的电隔离，代替触点继电器以及用于A/D电路等。

随着产业发展，光耦的应用逐渐增多，同时对于光耦的要求逐步向着高集成度（通道数；受绝缘要求限制）、LED上的突破（开发活化层在下、向下发光的LED，从而减小体积）方面靠拢。比如在高频开关电源的驱动信号应用中，对光耦的响应速度要求很高，故一般采用响应较快的高速型，延迟时间在 500nS以内。此时需要使用频率响应速度比三极管型光电耦合器大为提高的集成电路型光电耦合器，输入侧发光管采用了延迟效应低微的新型发光材料，输出侧为门电路和肖基特晶体管构成，使工作性能大为提高，在变频器的故障检测电路和开关电源电路中也有应用。

高速光耦具有可单向传递信息、通频带宽、寄生反馈小、消噪能力强、抗电磁干扰性能好等特点，因而无论在数字电路还是在模拟电路中均得到了越来越广泛的应用，并且还具有有体积小、耦合密切、驱动功率小、动作速度快、工作温度范围宽等优点。具备强稳的抗噪声能力、高弹性的供电电压运作范围以及多种小巧的封装选择，并具备高共模拒斥和短传播延迟，提供强稳有效率的运作，可减少 PCB 板的空间；短传播延迟，提供快速开关速度，进而降低停滞时间并提高移动的效率和精密度，响应速度到达ns量级，极大的拓展了光电耦合器在数字信号处理中的应用。

前文讲到了各种不同功能的电路或者信号处理的场合应用光耦，用到不同类型的光耦有普通的线性光耦、三极管型光耦。大致地形容了光耦的用法和场景，光耦的应用场景极为丰富，仅仅以开关电源举例，就能在其中找出不少例子。开关电源一般由两部分组成，功率主回路和控制回路。变换器功率主回路往往与电网连接，电压等级高；但输出回路和控制回路多由低压电子元器件组成。功率主回路与输出－控制回路应该进行电气隔离。 

对于开关电源，抗干扰技术和隔离技术是至关重要的。

抗干扰技术主要是消除地线环路干扰。在开关电源中，一方面光耦可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一方面，光耦的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式，电流环路是低阻抗电路，对噪音的敏感低，提高了系统的抗干扰能力，起到了电磁兼容和隔离抗干扰的作用，不会因为电路中的高频电流的电磁干扰对控制电路产生干扰。

把地线作为电路电位基准点的等电位体，是一种理想状态，实际上地线信号流回源是低阻抗路径。当一个电流通过有限阻抗时，就会产生电压降，因此地线上的电位也是非恒定及均匀的。例如附近有大功率用电器启动时，会在地线在中流过很强的电流，于是两个设备的连接电缆上产生电流。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，会产生差模电压，对电路造成影响，称为地环路干扰。或者，地环路中的电流还可以由电磁场感应出来。从地环路干扰的机理可知，如果能彻底消除地环路中的电流，则可以彻底解决地环路干扰的问题。采用各种隔离器件的隔离方法就是解决地环路干扰的方案之一。用光实现信号的传输是一种可靠切断地环路的方法是解决地环路干扰问题的最理想方法用光连接有两种方法，光耦或者光纤。光耦的寄生电容一般为 2pf，能够在很高的频率提供良好的隔离，同时安装、维护、成本等方面都比较优越，这也是光耦的一大应用场景。

隔离技术主要是控制信号传输。当所需要传输的信号为直流反馈信号时，信号对传输速度的要求很低，反馈精度是主要因素，选用线性光耦。它由发光二极管和光敏三极管组成，当发光二极管接通发光时，光敏三极管导通。光耦是电流驱动型，需要一定的电流才能使发光二极管导通，如果输入信号太小，发光二极管不会导通，其输出信号将失真。在开关电源中，利用线性光耦可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。当光耦应用于控制信号放大成为驱动主开关管的驱动信号除了控制电路要和变换器主电路的隔离要求，还因为开关电源的驱动控制信号通常频率都非常高，所以这时最主要考虑的是其响应速度能否满足要求，应采用高速光耦，选型就比较重要。

在光耦电路设计中，需要重视光耦几个参数，分别是反向电压、电流传输比CTR，此外还有正向工作电压Vf、集电极电流Ic、C-E饱和电压、上升/下降时间Tr /Tf。

反向电压Vr(Reverse Voltage)，是指原边发光二极管所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。而一般光耦中，这个参数只有5V左右。在存在反压或振荡的条件下使用时，要特别注意不要超过反向电压并提供保护电路。

电流传输比(current transfer ratio CTR)，是指在直流工作条件下，光耦的输出电流与输入电流之间的比值。光耦的CTR类似于三极管的电流放大倍数，它取决于光耦的输入电流和输出电流值及电耦的电源电压值，这几个参数共同决定了光耦工作在放大状态还是开关状态，其计算方法与三极管工作状态计算方法类似。若输入电流、输出电流、电流传输比设计搭配不合理，可能导致电路不能工作在预想的工作状态。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。

正向工作电压Vf，Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。

集电极电流Ic，光敏三极管集电极所流过的电流，表示其最大值。

C-E饱和电压Vce，光敏三极管的集电极-发射极饱和压降。

上升时间Tr 与下降时间Tf，反映了工作在开关状态的光耦，其开关速度情况。前文提到的高速光耦选型主要体现于此。高速光耦结构=光敏二极管+放大驱动电路，普通光耦=光敏三极管+放大驱动电路。光敏二极管的响应速度是纳秒级，光敏三极管的响应速度是微秒级，故使用时主要看这两个参数是否满足应用需求。此外，不同的电路设计也会导致上升时间时间的不同，主要与光敏三极管的主要参数相关，对于此类问题需要专题讨论。

根据以上参数，选择光耦的核心步骤是：

1) 根据副边所需的负载，确定Ic；

2) 根据光耦的CTR的下限，估算原边所需的最小If；

3) 根据规格书给出的曲线图，综合温度、寿命、线性度等因素，估算实际电路CTR；

4) 根据分压和欧姆定律计算限流电阻；

5) 根据Ton/Toff 初步计算最高工作频率，再综合温度、IF、IC估算实际需要。

ISOCOM是一家领先的高性能红外光电子器件制造商，专门从事光耦合器和光电开关的研发，ISOCOM提供一个完整而全面的光耦合器系列，便于选择各类应用场景需要的光耦。

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