光耦隔离驱动设计及计算解析Word格式.docx

1、下面就某个市场问题展开分析。山东基站的IPLU0006出现如下问题，将IPLU0006的串口 6（485通道）与智能设备IPLU1501相连, 前置机中显示IPLU1501往往通讯正常一段几分钟之后，即通讯异常。而将设备断电重启后，通讯正常一 段时间后设备又会出现通讯异常，如此反复。【问题分析】对现场寄回来的样机进行分析，发现是由于电路设计是裕量不足引起。具体分析如下：下图为RS485电路中前端的光耦隔离部分，其中红色选中部分为收发控制电路部分。 CPU发出的控制信号经过缓冲驱动后经光藕隔离，控制通信芯片的收发控制端。这里原边上拉电阻为 2k门，副边上拉电阻为4.72。（案例名称）当RTS2输

2、出为低电平时（0.2V）时，光耦饱和导通。 ADM483的收发控制段被拉低，收发控制端一直箝位在低电平而保持为接收状态。当 RTS2输出为高电平时（3.3V）时，光耦断开，ADM483的收发控制段被拉高而保持为发送状态。由于485为总线制，总线上可能有多个智能设备，所以对于同一时刻，总线上只能有一台设备处于发 送状态，而其他的设备都处于接收状态。对于 485电路缺省状态，应该为接收状态，避免从机初始化过程或故障时，影响总线的正常功能。通过示波器对故障样机的各个波形进行测量，首先发现只有总线 AB端只有主设备的数据发出，而从设备没有响应。检测收发控制端口的波形时发现，当其需要低电平将电路嵌位在接

3、收状态时。 该电压较高接近2V。这会导致主设备一直处于发送状态，整个总线都会出现通讯异常。说明光耦并没有工作在预想 的饱和状态下，而是工作在放大状态。设备断电一段时候后重启能够正常工作一段时间，是因为光耦的传输比受温度的影响比较大。当设备 刚刚启动时，系统温度还不是特别高，所以传输比 CTR相对较大。而工作一段时间后，温度上来后，传输比CTR下降（经过计算此时的光耦传输比不到 60%），光耦没法工作在饱和状态，副边电压升高，电路工作不正常。原有的电路计算如下：Vce=0.2V, lc=（5-0.2）/4.7K=1.021mA, lf=（3.3-1.2）/2K=1.05mAIf是否满足要求：If

4、x=Ic/CTRmi n=1.021mA/100%=1.021mAIfIfx按照公司的降额规范，要审查集电极电压 Vce和集电极的平均电流Icav应该满足75%的降额要求。结论：Pass注：CTRmi n=100%与物料品质部的同事沟通后，才知道光耦传输比虽然宣称范围是 100%-300%，但其是在温度为25度,If为5mA时的结果。当温度升高，或是 If为1mA时，其传输比会下降很多。其测量的结果如下。对于本次失效的PS2701，高低温下不同IF下的CTR测量情况如下：正常品:5mA1mA25C200%108%58C144%74%失效样品:158%79.30%45C66.80%128%45%

5、该光耦的datesheet中有如下资料:NORMALIZED CURRENT TRANSFER RATIO vs, AMBIENT TEMPERATURE由上图可以得岀原边电流If与传输比CTR系数之间的关系如下If电流传输比CTR系数0.572mA0.773mA0.884mA0.961而光耦会工作在（-1060摄氏度）下，由Ta-CTR关系图可知，10度时的CTF与25度下的CTF持平，60 度时的CTR寸25度下CTR勺0.9倍左右。但是物料品质部同事实测岀的结果表明却表明， CTF受温度的影响远不在此。58度时的CTF只是25度下CTR勺0.7倍左右。可见CTF受温度的影响非常大。结论公

6、司的降额指导书中提到如下两点：A.因光耦传输常量分散性较大，在电路设计时一定要注意保证充分的设计裕量，一般是在电路设计 计算时，取光耦传输参量上限值的 100 %和下限值的70%分别进行电路计算，要求电路计算合格。光耦传输参量包括有 CTR、Ift、tp等。B.对于光耦模拟信号的静态工作点 IF, 般要求大于1mA。静态工作点太低接近死区，容易带来系统温度特性差，光耦替代性差，电路对光耦批次性敏感等不良问题 。【优化方案】以后我们在进行原理图审查时，应关注以下几点1.计算得到的光耦的原边电流建议大于 2mA。2.计算时对于传输比 CTR参数应该取下限值的 70%进行计算。3.对于PS2701系

7、列的光耦，原边二极管取 1.2V压降。4.从控制芯片中输出的低电平电压取 0.2V。按照以上4点对于上面的电路进行计算，参考如下：该电路为收发控制电路，光耦必须要有效的工作在饱和状态和截止状态。Vce=0.2V, lf=（3.3-1.2-0.2）/2k=0.95mA 原边电流应该大于 2mA.lc=（5-0.2）/4.7k=1.02mA,lfx=lc/CTRmin=1.02mA/ （100%lfx此处满足该要求3.3VC506电路分析当TXD输出为高时，光耦无法导通，输出为高；当TXD输出为低时，光耦导通，三极管 Q52饱和导通，输出为低。该电路中的光耦为高速光耦，从 CPU这边传送过来的 4

8、58信号要经过它传输出去。这个电路算的上经典电路，Vce的电压嵌位在4.3V左右，光耦工作在放大状态。当总线上的传输速率较高时，能够达到较 短的上升和下降时间。1）导通后保证U58管脚4电压足够低，Vce（Q52）=0.2V，贝VIc （ Q52） = （5V- Vce （Q52） /R512=（5-0.2）/2K=2.4mAIb （ Q52） = Ic （Q52） /hFE=2.4/20mA=0.12mA h fe是三极管的放大倍数，数字电路，要保证三极管 Q52工作在饱和区，根据器件手册取最小值 20;2）光耦U58集电极电流Ic （ U58） = lb （Q52） +Vbe （Q52）

9、/R515=0.12mA+0.7V/0.47K=1.609mA3）期望的光耦输入电流I FX计算如下：Ifx= Ic （ U58） / （CTRmin*0.7 ） =1.609mA/ （200%*0.7 ） =1.150mA CTR 是光耦运行的传输比，在设计中要满足上限 100%，下限70%的降额要求。4）计算实际的输入电流If：If= （3.3-Vf-0.2） /R518=（3.3-1.2-0.2）/0.62=3.065mA 光耦导通时，原边二极管的压降 Vf取1.2V，原边电流应该大于 2mA.满足lf1/8。以最高波特率为另外：测试规范中要求上升时间 tr和下降时间tf应该小于最高波特

10、率下周期的19200bps为例，周期为 T=52us，因此上升沿tr和下降沿tf应该小于6.5us。根据芯片手册得，Rl的电阻应该200欧姆左右。SWITCHING TIME vs.LOAD RESISTANCE200Load Rssistance Rl （I2i如上图中红色方框选中的电路等效电阻应该小于 200欧姆。简单计算其等效电路电阻：IC 约为 If （ U58） * （ CTRmin ） = 3.065mARl = 0.7/3.065mA = 233 欧电路分析：当光电耦合器二极管端 2脚为高电平时，光电耦合器不导通， RXD0输出为高。当光电耦合器二极管端 2脚为低电平时，光电耦合

11、器工作在 线性工作区，三极管Q41发射结正偏，饱和导通，集电极输出为低，即 RXD0输出为低。计算：1） 导通后保证RXD电压足够低，Vce （Q41 ） =0.2V，贝yIc （Q41） = （3.3V- Vce （Q41） /R408=（3.3-0.2）/2K=1.55mAIb （ Q41） = Ic （Q41） /hFE=1.55/20mA=0.0755mA hFE是三极管的放大倍数，数字电路，要保证三极管 Q41工作在饱和区，根据器件手册取最小值 20；2）光耦U8集电极电流Ic （ U8） = lb （ Q41） +Vbe （Q41） /R407=0.0755mA+0.7V/0.47

12、K=1.654mAIfx= Ic（ U8 ） /CTRMiN=1.654mA/ （100%*0.7 ） =2.363mA CTR 是光耦运行的传输比，在设计中要满足上限 100%，下限70%的降额要求。U41器件2脚连接在肖特级二极管 D401上，当D401导通，压降最大为0.38V , U41二极管输入电流为If=（5-1.2-0.38）/750=4.56mA 满足原边电流应该大于 2mA.FUSE4rx上图是个线形光耦使用的典型例子光耦的工作电流控制在 5mA（从5到10m舷光耦工作在线形区），外接电阻R11连接在VCC与压腔振荡器VCO 输入端之间，电阻值的设定不能使光耦进入饱和状态，

13、R1仁（12V-3.3V）/5mA=1740Q ,选1.8K。光耦MOC8102的Ctrr（传输比）是100%光耦Id使用考虑裕量选为8mA流过光耦LED的电流值由R20来限 定，R20=5V-（Vu3+VLED）/8mA=138 Q ,选120Q。（ Vied取为1.4v,tl431 的电压取为2.5v ）如果在此范围内光耦 不饱合，则光耦可以稳定的工作在线性区保证整个回路的控制。【总结】光耦的使用需要特别关注几个主要的参数， 并且深刻理解Datasheet中所给的这些参数的前提条件（例如25C环境温度；10mA负载电流；1KHz频率等等这些前提条件）。我们在设计中必须要考虑到这些因素， 确保电路从理论上分析，在任何规定之条件下都能够正常工作，而不是在仅仅在典型值下能工作或实际测 试能正常工作。