使用光電耦合器時的部分設計考慮因素

　　設計牢靠的電子系統(tǒng)是一件極具挑戰(zhàn)性的任務。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)展趨勢給設計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。本文將重點介紹與光電耦合器有關的部分設計考慮因素。

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備

規(guī)范要求非常關鍵

　　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(包括瞬時電壓和工作電壓)，這也正是許多電路中要求采用光學耦合器的原因所在。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(guī)范要求。這些規(guī)范的目的，是為用戶提供安全保護，為應用高壓的行業(yè)提供指南。鑒于存在著大量的規(guī)范機構和相關標準和規(guī)范，光電耦合器制造商和設備供應商在遵守規(guī)范規(guī)定方面可能會出現(xiàn)混淆。

　　世界上各個地區(qū)都確立自己的標準，本國機構會對設備和產品簽發(fā)審批或認證證書。由于標準機構開始時通常是國家機構，因此許多國家都擁有自己的規(guī)范環(huán)境。隨著國際商務發(fā)展，出現(xiàn)了轉向大洲或國際安全規(guī)范和標準的趨勢。表1是通常與電氣/電子系統(tǒng)、特別是隔離器件有關的多個標準機構。

表1: 部分最經常遇到的標準機構
 

　　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)標準。盡管VDE編寫了這些規(guī)范的原始版本，但維護和開發(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列明了對主要類別的應用，規(guī)范機構制訂的設備級規(guī)范。每種設備規(guī)范都是主文檔，有許多參考主文檔的下一級規(guī)范，構成了整體規(guī)范要求。

表2: 應用類別和全球/地區(qū)安全標準

　　表3說明了光電耦合器件最重要的規(guī)范。設備級規(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(guī)定了安全相關參數(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的其它參數(shù)。歐洲規(guī)范管理局(EN)和相關的國家管理機構(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(guī)范有關的更詳細的信息，請參閱安捷倫光學耦合器設計人員指南。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實現(xiàn)功能隔離或電平移動，如高壓集成電路(HVIC)，但在最高技術指標中被視為十分安全的加強隔離只能通過合格的脈沖變壓器和光電耦合器實現(xiàn)。磁性隔離器或磁性耦合器等新興技術目前只能視為提供了功能隔離，因為還沒與其相關的全球公認的標準。設計人員需要知道其最終產品要求什么樣的隔離質量，并選擇適當?shù)募夹g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過加強隔離認證，因此在對安全至關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(相對軌跡隔阻指數(shù)或CTI)有關。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量。

共模抑制 (CMR)

　　電路設計人員經常遇到共模噪聲的負面效應。CMR故障與高壓瞬變有關，其由于寄生電容而導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。轉換斜率為10 kV/μs的瞬變電壓會導致大約7 mA的泄漏電流，比光電二極管的電流要高1000多倍。基于這一原因，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倒數(shù)放大器。

　　因此，設計人員使用屏蔽技術，最大限度地降低泄漏電流，使剩余的泄漏電流從輸出IC的關鍵節(jié)點分流出去，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能力至關重要。安捷倫采用專有屏蔽技術，提供了高達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，可以進一步改善性能。