2 什么是光耦合器？

光耦合器是一種隔離器件，其中包含一個(gè)發(fā)光元件和一個(gè)光敏元件，用于傳輸信號(hào)，同時(shí)阻斷它們之間的接地電位差 (GPD)。發(fā)光元件通常是發(fā)光二極管 (LED)，而光敏元件通常是光晶體管或光電二極管。

為了使光耦合器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，其內(nèi)部的 LED 和光晶體管（或光電二極管）通過(guò)距離和絕緣材料進(jìn)行物理隔離。這里的絕緣材料可以是環(huán)氧樹(shù)脂或模塑化合物，也可以只是空氣間隙：這三種材料都具有相對(duì)較低的介電強(qiáng)度屬性，可實(shí)現(xiàn)電壓絕緣。圖 2-1 展示了光耦合器的橫截面圖：

圖 2-1 光耦合器橫截面

隨著時(shí)間的推移，通過(guò)光耦合器的信號(hào)傳輸性能會(huì)因 LED 的老化以及所用半透明隔離材料的渾濁或泛黃而降低。隨著 LED 老化變暗或環(huán)氧樹(shù)脂老化發(fā)黃，透射光線(xiàn)的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱；因此，需要更大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng) LED 輸入，以達(dá)到光耦合器為新時(shí)的亮度。如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不對(duì)這種信號(hào)傳輸衰減進(jìn)行補(bǔ)償，光耦合器將輸入信號(hào)傳輸?shù)礁綦x輸出的能力最終會(huì)達(dá)到臨界點(diǎn)，甚至完全失效。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題，除了要考慮數(shù)據(jù)表規(guī)格外，大多數(shù)光耦合器還要求設(shè)計(jì)中包括一個(gè)輸入電流保護(hù)帶，以便 LED 能夠在整個(gè)使用壽命內(nèi)更好地傳輸信號(hào)。這種額外的輸入電流會(huì)導(dǎo)致光耦合器和整個(gè)系統(tǒng)從設(shè)計(jì)的一開(kāi)始就產(chǎn)生更高且可能不必要的功耗。

在正常運(yùn)行期間，隔離器件任一側(cè)的高壓擺率或高頻瞬變都可能會(huì)破壞通過(guò)隔離柵進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是兩個(gè)隔離電路之間所施加共模電壓的最大容許上升或下降速率，通常以 dv/dt 來(lái)測(cè)量，單位通常為 kV/μs 或 V/ns。CMTI 是一個(gè)關(guān)鍵的信號(hào)完整性參數(shù)，與所有隔離信號(hào)器件的隔離信號(hào)魯棒性相關(guān)，而隔離信號(hào)器件會(huì)受到兩個(gè)單獨(dú)接地基準(zhǔn)之間的差分電壓影響。隨著新一代功率半導(dǎo)體器件的不斷進(jìn)步并得到采用，客戶(hù)終端設(shè)備和應(yīng)用需要更快的開(kāi)關(guān)頻率和更高的幅度。大多數(shù)高速數(shù)字光耦合器的 CMTI 規(guī)格最大值為 25kV/μs。由于 CMTI 最大值如此之低，因此在接地層之間的快速共模瞬變期間，例如在電源或逆變器應(yīng)用中的晶體管開(kāi)關(guān)期間，數(shù)字光耦合器的輸出信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)毛刺。由于這一原因，光耦合器通常不用于需要快速開(kāi)關(guān)高密度電源應(yīng)用的場(chǎng)合。

許多常用的光耦合器以其二極管輸入和晶體管輸出特性而聞名，使用這些光耦合器時(shí)，輸出晶體管灌入的電流與流經(jīng)輸入 LED 的電流成正比。用于量化此屬性的參數(shù)稱(chēng)為電流傳輸比 (CTR)，定義為通過(guò)晶體管的輸出電流 (I_C) 與通過(guò)輸入 LED 的輸入電流 (I_F) 之比，以百分比表示。隨著時(shí)間和溫度的變化，大多數(shù)光耦合器的 CTR 值可能會(huì)發(fā)生顯著變化。與 LED 老化的情況類(lèi)似，這意味著為了確保足夠高的輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)正確的信號(hào)傳輸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮最壞情況下的變化并相應(yīng)地增加輸入正向電流。這也會(huì)導(dǎo)致光耦合器出現(xiàn)不想要甚至可能是不必要的功耗。