使用光電耦合器時(shí)的部分設計考慮因素

　　設計牢靠的電子系統是一件極具挑戰性的任務(wù)。所挑釁的元器件必需滿(mǎn)足環(huán)境條件要求，其中可能包括電磁干擾、靜電放電、共模瞬變和高壓。通過(guò)提供信號隔離及高壓絕緣功能，光電耦合器解決了所有這些挑戰。

　　傾向較低的工作電壓以降低功耗，及縮小封裝以裝在小型電子組件的限定空間中，這些市場(chǎng)發(fā)展趨勢給設計人員帶來(lái)了新的挑戰。與印刷電路板布局、工作條件、專(zhuān)用參數和規范要求有關(guān)的其它因素也非常重要，在早期設計階段必須考慮這些因素。設計人員通?？梢赃x擇不同的解決方案和技術(shù)。本文將重點(diǎn)介紹與光電耦合器有關(guān)的部分設計考慮因素。

使用光電耦合器的原因主要有兩個(gè)：

•信號隔離，通過(guò)消除組環(huán)路電流，阻塞噪聲信號和共模瞬變，改善信號質(zhì)量

•電氣絕緣，防止光電耦合器和靈敏電路因高壓電勢而引起損壞，使用戶(hù)能夠安全地使用元器件或設備

規范要求非常關(guān)鍵

　　要求流電隔離的應用通常位于存在高壓的環(huán)境中。隔離器能夠保持和隔離高壓(包括瞬時(shí)電壓和工作電壓)，這也正是許多電路中要求采用光學(xué)耦合器的原因所在。設備操作人員和設備內部的電路可能需要安全隔離和高壓保護。由于高壓的潛在危險，使用流電隔離器和設備的環(huán)境通常具有安全標準規范要求。這些規范的目的，是為用戶(hù)提供安全保護，為應用高壓的行業(yè)提供指南。鑒于存在著(zhù)大量的規范機構和相關(guān)標準和規范，光電耦合器制造商和設備供應商在遵守規范規定方面可能會(huì )出現混淆。

　　世界上各個(gè)地區都確立自己的標準，本國機構會(huì )對設備和產(chǎn)品簽發(fā)審批或認證證書(shū)。由于標準機構開(kāi)始時(shí)通常是國家機構，因此許多國家都擁有自己的規范環(huán)境。隨著(zhù)國際商務(wù)發(fā)展，出現了轉向大洲或國際安全規范和標準的趨勢。表1是通常與電氣/電子系統、特別是隔離器件有關(guān)的多個(gè)標準機構。

表1: 部分最經(jīng)常遇到的標準機構
 

　　注意，DKE制訂DIN規范，由于歷史原因，某些DIN規范稱(chēng)為VDE (Verband Deutscher Electrotechniker)標準。盡管VDE編寫(xiě)了這些規范的原始版本，但維護和開(kāi)發(fā)德國標準的職責屬于DKE。DKE還在CENELEC和IEC中代表德國的利益。

　　表1.2列明了對主要類(lèi)別的應用，規范機構制訂的設備級規范。每種設備規范都是主文檔，有許多參考主文檔的下一級規范，構成了整體規范要求。

表2: 應用類(lèi)別和全球/地區安全標準

　　表3說(shuō)明了光電耦合器件最重要的規范。設備級規范可以作為下一級文檔參考的元器件級規范，在設備級規范和元器件級規范之間也可以沒(méi)有任何直接關(guān)系。

表3: 光電隔離器元器件級規范
 

　　對光電耦合器，目前最相關(guān)的元器件級標準是IEC/EN/DIN EN 60747-5-2。VDE 0884曾是光電耦合器的全球主導標準，直到2004年1月被IEC/EN/DIN EN 60747-5-2所代替。IEC/EN/DIN EN 60747-5-2規定了安全相關(guān)參數，如隔離電壓(最大隔離電壓和工作隔離電壓)、間隙和漏電距離及其它與光電耦合器有關(guān)的其它參數。歐洲規范管理局(EN)和相關(guān)的國家管理機構(如德國DKE/VDE)在新標準中都遵守IEC。

　　如需與影響光電耦合器的規范有關(guān)的更詳細的信息，請參閱安捷倫光學(xué)耦合器設計人員指南?？梢詮南率鼍W(wǎng)址下載Adobe Acrobat格式的文件：www.agilent.com/view/optocouplerguide。

　　盡管可以通過(guò)各種技術(shù)實(shí)現功能隔離或電平移動(dòng)，如高壓集成電路(HVIC)，但在最高技術(shù)指標中被視為十分安全的加強隔離只能通過(guò)合格的脈沖變壓器和光電耦合器實(shí)現。磁性隔離器或磁性耦合器等新興技術(shù)目前只能視為提供了功能隔離，因為還沒(méi)與其相關(guān)的全球公認的標準。設計人員需要知道其最終產(chǎn)品要求什么樣的隔離質(zhì)量，并選擇適當的技術(shù)滿(mǎn)足這些要求。

　　通過(guò)IEC/EN/DIN EN 60747-5-2測試的任何光電耦合器都經(jīng)過(guò)加強隔離認證，因此在對安全至關(guān)重要的應用中可以作為合格的隔離器使用。最大隔離電壓與封裝尺寸(內部和外部間隙、漏電)、耐高壓的介電隔離能力及模封裝化合物特點(diǎn)(相對軌跡隔阻指數或CTI)有關(guān)。此外，光電耦合器件標準得到了各種設備級標準的認可，這也有助于檢定設備質(zhì)量。

共模抑制 (CMR)

　　電路設計人員經(jīng)常遇到共模噪聲的負面效應。CMR故障與高壓瞬變有關(guān)，其由于寄生電容而導致泄漏電流越過(guò)隔離邊界。光電耦合器的寄生電容非常低，一般不到1 pF，而脈沖變壓器常見(jiàn)的寄生電容則為40 pF以上。

　　泄漏電流與寄生電容成正比，其可能會(huì )非常大。轉換斜率為10 kV/μs的瞬變電壓會(huì )導致大約7 mA的泄漏電流，比光電二極管的電流要高1000多倍?；谶@一原因，7 mA可能會(huì )干擾光電二極管的功能，光電二極管基本上是一個(gè)高增益跨導倒數放大器。

　　因此，設計人員使用屏蔽技術(shù)，最大限度地降低泄漏電流，使剩余的泄漏電流從輸出IC的關(guān)鍵節點(diǎn)分流出去，特別是光電探測器區域。光電耦合器的屏蔽性能對整體抗CMR能力至關(guān)重要。安捷倫采用專(zhuān)有屏蔽技術(shù)，提供了高達15 kV/μs的CMR性能 (圖1)。通過(guò)優(yōu)化輸入電路，如把LED偏置電阻器分開(kāi)，使用不要求上拉電阻器的低阻抗輸出階段，可以進(jìn)一步改善性能。