使用光電耦合器時的部分設(shè)計(jì)考慮因素

　　設(shè)計(jì)牢靠的電子系統(tǒng)是一件極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。所挑釁的元器件必需滿足環(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(zhàn)。

　　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，這些市場發(fā)展趨勢給設(shè)計(jì)人員帶來了新的挑戰(zhàn)。與印刷電路板布局、工作條件、專用參數(shù)和規(guī)范要求有關(guān)的其它因素也非常重要，在早期設(shè)計(jì)階段必須考慮這些因素。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)考慮因素。

使用光電耦合器的原因主要有兩個：

•信號隔離，通過消除組環(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，使用戶能夠安全地使用元器件或設(shè)備

規(guī)范要求非常關(guān)鍵

　　要求流電隔離的應(yīng)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(shè)備操作人員和設(shè)備內(nèi)部的電路可能需要安全隔離和高壓保護(hù)。由于高壓的潛在危險，使用流電隔離器和設(shè)備的環(huán)境通常具有安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。這些規(guī)范的目的，是為用戶提供安全保護(hù)，為應(yīng)用高壓的行業(yè)提供指南。鑒于存在著大量的規(guī)范機(jī)構(gòu)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，光電耦合器制造商和設(shè)備供應(yīng)商在遵守規(guī)范規(guī)定方面可能會出現(xiàn)混淆。

　　世界上各個地區(qū)都確立自己的標(biāo)準(zhǔn)，本國機(jī)構(gòu)會對設(shè)備和產(chǎn)品簽發(fā)審批或認(rèn)證證書。由于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)開始時通常是國家機(jī)構(gòu)，因此許多國家都擁有自己的規(guī)范環(huán)境。隨著國際商務(wù)發(fā)展，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向大洲或國際安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的趨勢。表1是通常與電氣/電子系統(tǒng)、特別是隔離器件有關(guān)的多個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。

表1: 部分最經(jīng)常遇到的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)
 

　　注意，DKE制訂DIN規(guī)范，由于歷史原因，某些DIN規(guī)范稱為VDE (Verband Deutscher Electrotechniker)標(biāo)準(zhǔn)。盡管VDE編寫了這些規(guī)范的原始版本，但維護(hù)和開發(fā)德國標(biāo)準(zhǔn)的職責(zé)屬于DKE。DKE還在CENELEC和IEC中代表德國的利益。

　　表1.2列明了對主要類別的應(yīng)用，規(guī)范機(jī)構(gòu)制訂的設(shè)備級規(guī)范。每種設(shè)備規(guī)范都是主文檔，有許多參考主文檔的下一級規(guī)范，構(gòu)成了整體規(guī)范要求。

表2: 應(yīng)用類別和全球/地區(qū)安全標(biāo)準(zhǔn)

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

表3: 光電隔離器元器件級規(guī)范
 

　　對光電耦合器，目前最相關(guān)的元器件級標(biāo)準(zhǔn)是IEC/EN/DIN EN 60747-5-2。VDE 0884曾是光電耦合器的全球主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，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(guī)定了安全相關(guān)參數(shù)，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(shù)。歐洲規(guī)范管理局(EN)和相關(guān)的國家管理機(jī)構(gòu)(如德國DKE/VDE)在新標(biāo)準(zhǔn)中都遵守IEC。

　　如需與影響光電耦合器的規(guī)范有關(guān)的更詳細(xì)的信息，請參閱安捷倫光學(xué)耦合器設(shè)計(jì)人員指南。可以從下述網(wǎng)址下載Adobe Acrobat格式的文件：www.agilent.com/view/optocouplerguide。

　　盡管可以通過各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)功能隔離或電平移動，如高壓集成電路(HVIC)，但在最高技術(shù)指標(biāo)中被視為十分安全的加強(qiáng)隔離只能通過合格的脈沖變壓器和光電耦合器實(shí)現(xiàn)。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?yàn)檫€沒與其相關(guān)的全球公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)募夹g(shù)滿足這些要求。

　　通過IEC/EN/DIN EN 60747-5-2測試的任何光電耦合器都經(jīng)過加強(qiáng)隔離認(rèn)證，因此在對安全至關(guān)重要的應(yīng)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(nèi)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(shù)或CTI)有關(guān)。此外，光電耦合器件標(biāo)準(zhǔn)得到了各種設(shè)備級標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可，這也有助于檢定設(shè)備質(zhì)量。

共模抑制 (CMR)

　　電路設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇到共模噪聲的負(fù)面效應(yīng)。CMR故障與高壓瞬變有關(guān)，其由于寄生電容而導(dǎo)致泄漏電流越過隔離邊界。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，其可能會非常大。轉(zhuǎn)換斜率為10 kV/μs的瞬變電壓會導(dǎo)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可能會干擾光電二極管的功能，光電二極管基本上是一個高增益跨導(dǎo)倒數(shù)放大器。

　　因此，設(shè)計(jì)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(jié)點(diǎn)分流出去，特別是光電探測器區(qū)域。光電耦合器的屏蔽性能對整體抗CMR能力至關(guān)重要。安捷倫采用專有屏蔽技術(shù)，提供了高達(dá)15 kV/μs的CMR性能 (圖1)。通過優(yōu)化輸入電路，如把LED偏置電阻器分開，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。