光耦開關(guān)應(yīng)用電路的設(shè)計方法

光耦開關(guān)應(yīng)用電路的設(shè)計方法摘要本文詳細說明光耦在開關(guān)應(yīng)用中的基本原則和方法。并給出光耦壽命評估方法和評估工具。關(guān)鍵詞光耦壽命老化內(nèi)容光耦設(shè)計中，最讓人頭痛的是隨著工作時間的推移，CTR會逐漸下降，超出了設(shè)計時的最小規(guī)定值，使電路工作不正常。甚至LED完全老化，光耦喪失基本功能。業(yè)界通常以CTR下降到標(biāo)稱值的30%或者50％為光耦失效標(biāo)準(zhǔn)。決定CTR的關(guān)鍵因素有：LED光輸出量（LOP），三極管的Hfe（放大倍數(shù)），溫度，LED電流，元件結(jié)構(gòu)。長時間工作造成CTR下降最主要的原因是LED的光輸出功率（lightoutputpower)的衰減。發(fā)光功率衰減的重要原因是熱應(yīng)力。如很高環(huán)境溫度和較大的正向LED電流?？梢栽O(shè)想有這樣一個函數(shù)⊿CTR=F(Ta,IF,t)。其中⊿CTR是CTR的下降量；Ta是工作環(huán)境；IF是LED的電流，t是工作時間，最大的t就是壽命。1.IF的確定假定已知有一個參照系統(tǒng)S_r，其試驗條件：LED的通態(tài)電流為IF_t，溫度Ta_t條件下，LOP每年下降m(假設(shè)m=10%。有HCNW136實驗基礎(chǔ)，本文從略.但是根據(jù)線型光耦HCNR201的實驗結(jié)果，CTR不是按照線型規(guī)律下降?？磥磉@個還需要做通用光耦的CTR老化實驗。本文仍然假定為通用光耦的CTR按照線型規(guī)律下降）。而實際設(shè)計的系統(tǒng)S_d中IF=5mA，溫度Ta=70℃條件下，根據(jù)相關(guān)公式可以得出加速因子A.以我司最常見的通用光耦PS2701-1-V-F3-A/P為例，該光耦的最小工作電流IFmin=1mA.對應(yīng)的最小發(fā)光量為LOP0;假定LOP近似和IF成正比?？芍鞠到y(tǒng)中光耦能夠工作條件下允許最大CTR下降程度為：ΔCTR_inh=(IF-IFmin)/IF=80%;假如設(shè)計中允許的ΔCTR_sys為50％，則在參照系統(tǒng)S_r條件下，該光耦可以工作ΔCTR_sys/m=5年?？紤]到加速因子A,則實際系統(tǒng)中預(yù)計能夠連續(xù)工作5×A年。再考慮到占空比D，則實際預(yù)計壽命為5×A年/D.看看是否能夠滿足產(chǎn)品壽命。如果不行，就必須調(diào)節(jié)IF或者增大設(shè)計允許的ΔCTR_sys，直到滿足產(chǎn)品壽命為止。ΔCTR_sys≤ΔCTR_inh對于ICoutput、柵極驅(qū)動光耦、SS_R，晶閘管輸出等輸出類型，因為輸出電流大小和IF沒有直接關(guān)系，所以ΔCTR_sys=ΔCTR_inh。本文提供的壽命公式見附件。2．IC的取值由附件中的工具可以得出：IF=5mA，設(shè)計的ΔCTR為50％，則估計的連續(xù)工作壽命：100℃時是21015注意：IF選取如果太小，初始CTR（CTR_0）可能會太小，不利于設(shè)計IC。見下圖。圖1根據(jù)datasheet,該光耦P級器件在常溫、IF=5mA,VCE=5V時的CTR為150％～300％?？紤]到實際系統(tǒng)工作在100℃圖2可知，該光耦在溫度為100℃下，初始CTR下降到約75％。則100℃而我們要把光耦設(shè)計在開關(guān)狀態(tài)，即飽和導(dǎo)通VCE=0.4V。根據(jù)廠家提供的PS2701的相關(guān)曲線(圖3)，可以看到CTR(@IF=5mA,VCE=0.4V)時典型值是100％.圖3實際上，根據(jù)經(jīng)驗，CTR@IF=5mA,VCE=0.4V，25℃大概是CTR@IF=5mA,VCE=5V，25我們可以估計PS2701-1-V-F3-A/P[注意本例選用的是P級器件，而廠家的參考圖(圖3)是不分級的典型值]的起始CTR@5mA,VCE=0.4V,100℃起始CTR_0=CTR（@IF=5mA,VCE=0.4V,100℃）=（150%~300%）*0.75*0.9=101%~202%則起始IC飽和臨界點IC_SAT_0=5mA*CTR_0=5mA~10mA,到產(chǎn)品生命結(jié)束時，ΔCTR=50%(由設(shè)計確定ΔCTR下降50%)CTR_end=CTR_end(@IF=5mA,VCE=0.4V)=(101%~202%)*50%=55.5%~101%。開關(guān)應(yīng)用，為了確保該光耦導(dǎo)通時處于飽和狀態(tài)，必須保證在整個產(chǎn)品周期內(nèi)IC<IC_SAT則：IC_end=IF*55.5%=5mA*55.5%=2.77mA考慮一定裕量90％，取IC=2.77×90％=2.49mA.如果VC=5V,則RC>(5-0.4)V/2.49mA=1.77k注意IC越大，光耦老化的越快，但是如果RC太大（IC太?。赡苋菀滓敫蓴_。設(shè)計中只要IC>0.36mA(1LSTTL負載)就可以了。如果該光耦驅(qū)動電流不夠，可以在后級增加驅(qū)動電路。再舉一個6N137的例子，該光耦是IC輸出光耦，廠家的最小推薦值IF是5mA.假設(shè)設(shè)計系統(tǒng)的工作溫度是80℃，因為該光耦的輸出電流和IF沒有直接關(guān)系，則允許的Δ利用本文附件提供的公式，通過嘗試可以得出IF=11mA時對應(yīng)的壽命最長，連續(xù)工作壽命為30371小時。也就是預(yù)計能夠連續(xù)工作3萬小時左右。輸出部分可以根據(jù)廠家的推薦設(shè)定。當(dāng)然，根據(jù)手冊，輸出電流的大小和IF還是有一點關(guān)系，在IF推薦值范圍內(nèi)，IO驅(qū)動