1、G2-MINI 起機時，輸出電壓過沖問題分析3(向博08-1016).doc案例名稱光耦隔離驅動電路設計及計算作者姓名作者部門寫作日期聯系電話關鍵詞： 光耦 隔離驅動 傳輸比（CTR） If Ic 第 8 頁 共 8 頁（案例名稱）經驗案例【問題描述】：1【問題分析】1【優化方案】3【收獲】3【問題描述】：監控類產品中中經常要用到光耦隔離電路，例如CAN、485，232等通信電路，或者是信號輸入輸出隔離電路等。我們在設計中要根據光耦的幾個主要參數，仔細計算光耦原副邊的電路參數。否則可能導致電路功能異常。下面就某個市場問題展開分析。山東基站的IPLU0006出現如下問題，將IPLU0006的串口

2、6（485通道）與智能設備IPLU1501相連，前置機中顯示IPLU1501往往通訊正常一段幾分鐘之后，即通訊異常。而將設備斷電重啟后，通訊正常一段時間后設備又會出現通訊異常，如此反復。【問題分析】對現場寄回來的樣機進行分析，發現是由于電路設計是裕量不足引起。具體分析如下： 下圖為RS485電路中前端的光耦隔離部分，其中紅色選中部分為收發控制電路部分。CPU發出的控制信號經過緩沖驅動后經光藕隔離，控制通信芯片的收發控制端。這里原邊上拉電阻為2kW，副邊上拉電阻為4.7kW。當RTS2輸出為低電平時（0.2V）時，光耦飽和導通。ADM483的收發控制段被拉低，收發控制端一直箝位在低電平而保持為接

3、收狀態。當RTS2輸出為高電平時（3.3V）時，光耦斷開，ADM483的收發控制段被拉高而保持為發送狀態。由于485為總線制，總線上可能有多個智能設備，所以對于同一時刻，總線上只能有一臺設備處于發送狀態，而其他的設備都處于接收狀態。對于485電路缺省狀態，應該為接收狀態，避免從機初始化過程或故障時，影響總線的正常功能。通過示波器對故障樣機的各個波形進行測量，首先發現只有總線AB端只有主設備的數據發出，而從設備沒有響應。檢測收發控制端口的波形時發現，當其需要低電平將電路嵌位在接收狀態時。該電壓較高接近2V。這會導致主設備一直處于發送狀態，整個總線都會出現通訊異常。說明光耦并沒有工作在預想的飽和狀

4、態下，而是工作在放大狀態。設備斷電一段時候后重啟能夠正常工作一段時間，是因為光耦的傳輸比受溫度的影響比較大。當設備剛剛啟動時，系統溫度還不是特別高，所以傳輸比CTR相對較大。而工作一段時間后，溫度上來后，傳輸比CTR下降（經過計算此時的光耦傳輸比不到60%），光耦沒法工作在飽和狀態，副邊電壓升高，電路工作不正常。原有的電路計算如下：Vce=0.2V, Ic=(5-0.2)/4.7K=1.021mA, If=(3.3-1.2)/2K=1.05mAIf是否滿足要求:Ifx=Ic/CTRmin=1.021mA/100%=1.021mAIf>Ifx按照公司的降額規范，要審查集電極電壓Vce和集電

5、極的平均電流Icav應該滿足75的降額要求。結論:Pass注: CTRmin=100%與物料品質部的同事溝通后，才知道光耦傳輸比雖然宣稱范圍是100%-300%，但其是在溫度為25度，If為5mA時的結果。當溫度升高，或是If為1mA時，其傳輸比會下降很多。其測量的結果如下。對于本次失效的PS2701，高低溫下不同IF 下的CTR 測量情況如下：正常品：失效樣品：該光耦的datesheet中有如下資料：由上圖可以得出原邊電流If與傳輸比CTR系數之間的關系如下If電流傳輸比CTR系數1mA0.572mA0.773mA0.884mA0.965mA1而光耦會工作在（-1060攝氏度）下，由Ta-C

6、TR關系圖可知，10度時的CTR與25度下的CTR持平，60度時的CTR時25度下CTR的0.9倍左右。但是物料品質部同事實測出的結果表明卻表明，CTR受溫度的影響遠不在此。58度時的CTR只是25度下CTR的0.7倍左右。可見CTR受溫度的影響非常大。結論公司的降額指導書中提到如下兩點：A. 因光耦傳輸常量分散性較大，在電路設計時一定要注意保證充分的設計裕量，一般是在電路設計計算時，取光耦傳輸參量上限值的100和下限值的70分別進行電路計算，要求電路計算合格。光耦傳輸參量包括有CTR、IFT、tp等。B. 對于光耦模擬信號的靜態工作點IF，一般要求大于1mA。靜態工作點太低接近死區，容易帶來

7、系統溫度特性差，光耦替代性差，電路對光耦批次性敏感等不良問題 。【優化方案】以后我們在進行原理圖審查時，應關注以下幾點1. 計算得到的光耦的原邊電流建議大于2mA。2. 計算時對于傳輸比CTR參數應該取下限值的70%進行計算。3. 對于PS2701系列的光耦，原邊二極管取1.2V壓降。4. 從控制芯片中輸出的低電平電壓取0.2V。按照以上4點對于上面的電路進行計算，參考如下：該電路為收發控制電路，光耦必須要有效的工作在飽和狀態和截止狀態。Vce=0.2V, If=(3.3-1.2-0.2)/2k=0.95mA-原邊電流應該大于2mA.Ic=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,Ifx=Ic/

8、CTRmin=1.02mA/（100%×0.7）=1.46mACTR是光耦運行的傳輸比，在設計中要滿足上限100，下限70的降額要求。If應滿足要求: If>Ifx此處不滿足該要求結論: Fail注: CTRmin=100%更改方案將電阻R618更換為620歐姆，重新計算：Vce=0.2V, If=(3.3-1.2-0.2)/0.62k=3.06mAIc=(5-0.2)/4.7k=1.02mA,Ifx=Ic/CTRmin=1.02mA/（100%×0.7）=1.46mACTR是光耦運行的傳輸比，在設計中要滿足上限100，下限70的降額要求。If應滿足要求: If>

9、;Ifx此處滿足該要求結論: Pass注: CTRmin=100%電路分析當TXD輸出為高時，光耦無法導通，輸出為高；當TXD輸出為低時，光耦導通，三極管Q52飽和導通，輸出為低。該電路中的光耦為高速光耦，從CPU這邊傳送過來的458信號要經過它傳輸出去。這個電路算的上經典電路，Vce的電壓嵌位在4.3V左右，光耦工作在放大狀態。當總線上的傳輸速率較高時，能夠達到較短的上升和下降時間。1） 導通后保證U58管腳4電壓足夠低，Vce（Q52）=0.2V，則Ic（Q52）=（5V- Vce（Q52）/R512=(5-0.2)/2K=2.4mAIb（Q52）= Ic（Q52）/hFE=2.4/20m

10、A=0.12mA- hFE是三極管的放大倍數，數字電路，要保證三極管Q52工作在飽和區，根據器件手冊取最小值20；2） 光耦U58集電極電流Ic（U58）= Ib（Q52）+Vbe（Q52）/R515=0.12mA+0.7V/0.47K=1.609mA3） 期望的光耦輸入電流IFX計算如下： IFX= Ic（U58）/（CTRMIN*0.7）=1.609mA/（200%*0.7）=1.150mA-CTR是光耦運行的傳輸比，在設計中要滿足上限100，下限70的降額要求。 4） 計算實際的輸入電流IF： IF=（3.3-VF-0.2）/R518=(3.3-1.2-0.2)/0.62=3.065mA

11、 -光耦導通時，原邊二極管的壓降VF取1.2V，原邊電流應該大于2mA. 滿足 If>Ifx結論：Pass另外：測試規范中要求上升時間tr和下降時間tf應該小于最高波特率下周期的1/8。以最高波特率為19200bps為例，周期為T=52us，因此上升沿tr和下降沿tf應該小于6.5us。根據芯片手冊得，RL的電阻應該200歐姆左右。如上圖中紅色方框選中的電路等效電阻應該小于200歐姆。簡單計算其等效電路電阻：IC約為If（U58）*（CTRMIN）3.065mARL0.7/3.065mA233歐電路分析：當光電耦合器二極管端2腳為高電平時，光電耦合器不導通，RXD0輸出為高。 當光電耦合

12、器二極管端2腳為低電平時，光電耦合器工作在線性工作區，三極管Q41發射結正偏，飽和導通，集電極輸出為低，即RXD0輸出為低。計算：1） 導通后保證RXD電壓足夠低，Vce（Q41）=0.2V，則Ic（Q41）=（3.3V- Vce（Q41）/R408=(3.3-0.2)/2K=1.55mAIb（Q41）= Ic（Q41）/hFE=1.55/20mA=0.0755mA- hFE是三極管的放大倍數，數字電路，要保證三極管Q41工作在飽和區，根據器件手冊取最小值20；2） 光耦U8集電極電流Ic（U8）= Ib（Q41）+Vbe（Q41）/R407=0.0755mA+0.7V/0.47K=1.654

13、mA3） 期望的光耦輸入電流IFX計算如下： IFX= Ic（U8）/CTRMIN=1.654mA/（100%*0.7）=2.363mA-CTR是光耦運行的傳輸比，在設計中要滿足上限100，下限70的降額要求。 4） 計算實際的輸入電流IF： U41器件2腳連接在肖特級二極管D401上，當D401導通，壓降最大為0.38V，U41二極管輸入電流為If=(5-1.2-0.38)/750=4.56mA-滿足原邊電流應該大于2mA. 滿足 If>Ifx結論：Pass注: CTRmin=100% 上圖是個線形光耦使用的典型例子 光耦的工作電流控制在5mA（從5到10mA該光耦工作在線形區），外接電阻R11 連接在VCC 與壓腔振蕩器VCO 輸入端之間，電阻值的設定不能使光耦進入飽和狀態，R11=（12V-3.3V）/5mA=1740,選1.8K。光耦MOC8102 的Ctrr(傳輸比)是100%，光耦Id使用考慮裕量選為8mA；流過光耦LED 的電流值由R20 來限定，R20=5V-(VU3+VLED)/8mA=138,選120。（Vled取為