隨著工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度日益提高,，通常需要多個(gè)組件和模塊相連接來(lái)進(jìn)行控制與通信,。這種離散的系統(tǒng)將會(huì)面對(duì)工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的各種浪涌沖擊或噪聲干擾,。因此,，設(shè)計(jì)師需要提供一個(gè)既能夠防止瞬態(tài)高壓的絕緣保護(hù)也可以防止共模噪聲干擾的信號(hào)隔離方案,。雖然傳統(tǒng)的光電隔離技術(shù)已經(jīng)可以滿(mǎn)足這種需求,，但新的設(shè)計(jì)趨勢(shì)則提出了更低功耗的要求,。

數(shù)字通信接口隔離

電氣隔離是為了防止帶電的粒子從一個(gè)電路游動(dòng)到另外一個(gè)電路,。在互相隔離的兩個(gè)電路之間，它們的供電,、接地以及電路之間不可以有任何物理上的傳導(dǎo)連接,。同時(shí)，兩個(gè)電路之間必要的信息可以通過(guò)其他的方式進(jìn)行傳輸和交換,，如使用光電轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行交換,。

在數(shù)字通信上需要隔離有四個(gè)主要理由：首先，它可以用來(lái)隔離并保護(hù)由一個(gè)模塊產(chǎn)生的瞬間高電壓浪涌,，造成另外一個(gè)模塊的損壞,。這一點(diǎn)對(duì)工業(yè)環(huán)境特別重要，因?yàn)橥ǔ４笮偷母唠妷簷C(jī)械設(shè)備都會(huì)通過(guò)通信總線(xiàn)互相連接在一起,。第二,，隔離器也可以用來(lái)進(jìn)行信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換，或者調(diào)整不同電源電壓工作系統(tǒng)或電路間的電平邏輯信號(hào),。例如,，微處理器可能以3.3V的電源工作，而I/O設(shè)備則以5V的電源工作,，光電耦合器則可以用來(lái)連接這些不同的模塊,。第三，隔離器也可以用來(lái)抑制共模瞬變?cè)肼?。共模噪聲可能?huì)造成輸出信號(hào)異常的電壓變化或者過(guò)大的噪聲,，光電耦合器的耦合電容比較小，可以直接有效地降低共模電壓,，保證信號(hào)的質(zhì)量,。共模噪聲的抑制對(duì)于容易受到干擾的電路，如傳感器,、A/D轉(zhuǎn)換器,、信號(hào)發(fā)送器等，都非常重要,。最后,，隔離器也可以用來(lái)切斷不同接地電平所造成的接地環(huán)路。接地環(huán)路會(huì)帶來(lái)電氣系統(tǒng)中共用路徑兩點(diǎn)之間不必要的電流流動(dòng),。接地環(huán)路電流如果沒(méi)有被消除,，將會(huì)嚴(yán)重影響信號(hào)的完整性，甚至觸發(fā)錯(cuò)誤信號(hào),。


圖1 典型的隔離SPI接口

數(shù)字通信低功耗隔離方案

光耦在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,，它可以用來(lái)隔離Profibus、DeviceNet,、USB,、I2C,、RS485和CANBus等現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)。光耦可以為整個(gè)系統(tǒng)提供高電壓的浪涌保護(hù),，也可以幫助消除接地環(huán)路當(dāng)中的噪聲，還可以被用來(lái)在開(kāi)關(guān)電源一次側(cè)和二次側(cè)之間對(duì)反饋信號(hào)或者PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離,。另外,，光耦亦可以用來(lái)提供POE（Power-Over-Ethernet），也就是以太網(wǎng)供電內(nèi)的熱切換控制器和主控制器間接口的隔離和噪聲控制,。

在工廠(chǎng)自動(dòng)化中,，控制單元必須和外部通信，由于在不同的網(wǎng)絡(luò)層和物理位置有很多的互連設(shè)備,，因此接地環(huán)路和高瞬變短脈沖在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用當(dāng)中是非常普遍的,。需要有高共模抑制能力的高速數(shù)字光電耦合器來(lái)隔離并保護(hù)這些系統(tǒng)。適當(dāng)?shù)母綦x可以確保系統(tǒng)MCU或DSP所提供的數(shù)字信號(hào)可以安全,、精確地對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制,。

SPI串行外設(shè)接口是一個(gè)廣泛應(yīng)用的通信總線(xiàn)，它可以讓多個(gè)從屬端連接到一個(gè)主控端上進(jìn)行通信與控制,。SPI使用3個(gè)主要的邏輯信號(hào),，分別為串行時(shí)鐘、信號(hào)輸入（SDI）和信號(hào)輸出（SDO）,。如果只使用單一的從屬端,，那么第四條信號(hào)線(xiàn)從屬選擇（SS）就可以設(shè)定為低電平。SPI可以用來(lái)替代并行接口,，避免并行電路,、環(huán)繞PCB的麻煩。例如帶有SPI輸出的12位的ADC可以把12條信號(hào)線(xiàn)縮減為單一的SPI輸出,，付出的代價(jià)就是數(shù)據(jù)的有效傳輸速度,。假設(shè)使用相同的串行速度，那么有效速度就會(huì)降低12倍,。圖1中提供了典型的隔離SPI接口,，要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，主控端首先要使用低于或者等于從屬端器件可以支持的最高頻率進(jìn)行時(shí)鐘配置,。在每個(gè)SPI時(shí)鐘周期,，會(huì)發(fā)生全雙工的數(shù)據(jù)傳輸。主控端在SDI線(xiàn)送出一位的信息,，從屬端就在相同線(xiàn)路補(bǔ)入,。從屬端在SDO線(xiàn)路送出一位數(shù)據(jù)，那么主控端也由相應(yīng)的線(xiàn)路補(bǔ)入,。在整個(gè)SPI的數(shù)據(jù)傳輸中,，環(huán)路延遲對(duì)于系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要,。低功耗的高速光耦系列，采用了快速CMOS技術(shù),，整個(gè)環(huán)路延遲大約為92ns,。



在光電耦合器工作時(shí)，有兩個(gè)主要的部件會(huì)消耗電流,，分別為驅(qū)動(dòng)LED的正向電流IF以及將LED的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)的檢測(cè)器電流ID,。光電耦合器可以通過(guò)降低LED的驅(qū)動(dòng)電流和檢測(cè)器電流來(lái)達(dá)到低功耗。電源效率通常是工程師必須持續(xù)努力改進(jìn)的關(guān)鍵的性能參數(shù),。選用低功耗的光電耦合器有四個(gè)重要的理由：首先,，它可以降低整體功耗；其次,，通過(guò)較低的功耗可以減少發(fā)熱,，從而簡(jiǎn)化溫度管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)；第三,，通過(guò)使用較低的驅(qū)動(dòng)電流,，光電耦合器的LED壽命可以大大延長(zhǎng)；最后,，低于4mA的LED驅(qū)動(dòng)電流可以由大部分微控制器以及ASIC直接驅(qū)動(dòng),，不需要外部緩沖器。

圖2顯示了Avago的光電耦合器在85℃到105℃的條件下,，以2mA的驅(qū)動(dòng)電流工作時(shí),，現(xiàn)場(chǎng)工作年限和電流轉(zhuǎn)換比（CTR）的衰減度?；旧?，LED的工作壽命和驅(qū)動(dòng)電流是成反比的，通過(guò)降低驅(qū)動(dòng)電流,，LED的工作壽命可以大幅提升,。圖2中的數(shù)字使用了采用Black’s Model計(jì)算的等效現(xiàn)場(chǎng)小時(shí)數(shù)，是基于LED 100%被點(diǎn)亮,，使用了三個(gè)西格瑪?shù)臄?shù)據(jù),，Avago的LED CTR的衰減為5%，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)35年的連續(xù)工作壽命,。


圖2 Avago的光電耦合器在85℃到105℃的條件下,，2mA的工作電流時(shí)，
現(xiàn)場(chǎng)工作年限和電流轉(zhuǎn)換比（CTR）的衰減度

創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)和功能

使用光電耦合器有幾個(gè)重要的好處,，除了可以提供MCU或DSP的直接連接以外,，也可以方便地改變輸出的極性。最重要的是，光電耦合器提供了卓越的抗噪聲能力,，非常適合使用在高噪聲的電器環(huán)境中,。

以往的光電耦合器可能需要在MCU或者DSP的輸出連接一個(gè)緩沖器來(lái)提高LED的驅(qū)動(dòng)電流。目前Avago最新的光電耦合器可以使用最低40μA的正向電流點(diǎn)亮,。這類(lèi)光電耦合器可以被大部分的微處理器直接驅(qū)動(dòng),，不需要外加緩沖器，從而節(jié)約器件的數(shù)量并簡(jiǎn)化電路板的設(shè)計(jì),。

大部分隔離器都擁有預(yù)先設(shè)定好的輸出配置,，例如反相或者同相。反相代表輸出信號(hào)與輸入信號(hào)極性相反,。例如，輸入邏輯為高電平時(shí),，輸出邏輯為低電平,。同相則代表輸出信號(hào)與輸入信號(hào)極性相同。LED光電耦合器可以在不使用反相器的情況向改變輸出極性,。圖3中,，左圖的電路連接方式可以提供反相輸出，通過(guò)將Vin連接在Vcc,，并且接地連接到Vin,，就可以得到同相輸出，這樣做也有助于減少器件數(shù),。

圖3 使用LED輸入光電耦合器改變輸出極性

共模噪聲是數(shù)字通信應(yīng)用中的重要問(wèn)題,，特別是在電動(dòng)機(jī)、傳感器和可編程控制器（PLC）相互連接的工作環(huán)境中,。在這類(lèi)系統(tǒng)中,，隔離器有助于降低噪聲，并且強(qiáng)化信號(hào)的完整性,。所有的隔離器不管采用何種技術(shù),，都會(huì)在器件的兩個(gè)隔離端之間產(chǎn)生寄生電容。發(fā)生在輸出端的噪聲變化,，可能會(huì)引起輸入端不必要的電壓上升,，造成輸入的錯(cuò)誤觸發(fā)，甚至低阻抗邏輯的輸入鎖定,。帶有LED輸入的光電耦合器非常適合于高共模噪聲環(huán)境的應(yīng)用,。首先，光信號(hào)通過(guò)透光的絕緣材料的衰減是非常低的,，因此隔離的距離可以加大,，較大的隔離距離的直接好處是可以實(shí)現(xiàn)比較低的寄生電容。也就是說(shuō),，輸入和輸出端之間不必要的耦合可以降至最低,。第二,，通過(guò)使用分離式的電阻輸入驅(qū)動(dòng)方式，將原來(lái)單一的限流電阻分成兩個(gè)小阻值的電阻,，連接在LED的兩端,，可以平衡LED輸入上的阻抗，在這種配置中,，由共模噪聲造成的LED輸入上的電壓上升會(huì)比較對(duì)等,，因此，不會(huì)點(diǎn)亮LED,。第三,，LED輸入擁有相對(duì)較高的輸入電容，一般為70pF,。LED和限流電阻串聯(lián)可以作為低通濾波器濾除高頻噪聲,。通過(guò)使用平衡式的分流電阻，光電耦合器的共模抑制比即使在驅(qū)動(dòng)電流只有2mA時(shí),，也可以提高到35kV/ms,。

共模抑制在隔離器上有兩種形式：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。靜態(tài)CMR是指輸入為固定高電平或者低電平情況下的共模噪聲抑制能力,，通常系統(tǒng)為備用或者待機(jī)的狀態(tài),。在這些狀態(tài)下，系統(tǒng)的部分組件被關(guān)斷以節(jié)約功耗,，只剩下部分模塊來(lái)檢測(cè)信號(hào),。系統(tǒng)必須維持相同的邏輯狀態(tài)，不管環(huán)境中有沒(méi)有發(fā)生靜態(tài)共模噪聲,。這主要是為了確保噪聲不會(huì)造成系統(tǒng)的誤觸發(fā),。在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，系統(tǒng)通過(guò)邏輯高電平與低電平不停地發(fā)送信號(hào),，要避免共模噪聲耦合到輸入信號(hào)上,，系統(tǒng)就必須濾除這些噪聲，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)CMR,。對(duì)于部分的隔離器來(lái)說(shuō),，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)CMR通常要低于靜態(tài)CMR。Avago的光電耦合器會(huì)檢測(cè)由輸入信號(hào)設(shè)定的正向電流大小,，并且把光輸出到檢測(cè)器,，因此它的結(jié)構(gòu)決定了在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)環(huán)境下的性能是相當(dāng)?shù)摹?br />
Avago的光電耦合器在數(shù)字上面可以滿(mǎn)足高速設(shè)備的要求，LED輸入的光電耦合器具有可以在輸入限流電阻上并聯(lián)一個(gè)峰化電容的能力,，來(lái)提高速度性能,。峰化電容的大小，可以由輸入信號(hào)的上升和下降時(shí)間、電源電壓以及LED的輸入電流驅(qū)動(dòng)來(lái)決定,。圖4中,，左圖為一個(gè)電源電容的電路，右圖是測(cè)試的結(jié)果,。從圖中可以看出傳輸延遲和脈寬失真可以通過(guò)加入峰化電容進(jìn)行改善,。其中，實(shí)線(xiàn)部分是沒(méi)有加峰化電容時(shí)的表現(xiàn),，虛線(xiàn)部分是加入了峰化電容以后的改善情況,。

圖4 通過(guò)在串行輸入限流電阻上并聯(lián)一個(gè)峰化電容，
可以提升光電耦合器的速度性能(tplh,、tphl和PWD)

在系統(tǒng)上電或者掉電的瞬間,，有些芯片的I/O口可能處于不確定的狀態(tài)，甚至?xí)?duì)外發(fā)出一些錯(cuò)誤的脈沖,。新一代的低功耗光電耦合器集成了類(lèi)似欠壓鎖定的功能來(lái)避免電源遺失或恢復(fù)時(shí)對(duì)輸出造成的干擾,。這一功能在設(shè)計(jì)上主要是為了確保輸出在電源啟動(dòng)或者關(guān)閉的時(shí)候處于確定的狀態(tài)而不會(huì)發(fā)出假信號(hào)。

設(shè)計(jì)工程師通常會(huì)面臨不同的通信接線(xiàn),，由于負(fù)載不同而造成上升和下降時(shí)間差異的問(wèn)題。圖5中可以看到,，較高的負(fù)載電容會(huì)使輸出上升和下降的時(shí)間較長(zhǎng),，造成傳輸延時(shí)、脈寬失真的變化差異,。Avago新一代光電耦合器中加入了擺率可控輸出,，確保輸出在不同負(fù)載電容下?lián)碛蟹€(wěn)定的上升和下降時(shí)間。這對(duì)一點(diǎn)對(duì)于并行通信連接特別重要,。


圖5 由于負(fù)載不同而造成上升和下降時(shí)間差異的問(wèn)題

數(shù)字通信系統(tǒng)面臨著四個(gè)影響可靠性和性能的電路問(wèn)題,，分別為高壓脈沖瞬變、不同接地瞬變?cè)斐傻墓材Ｔ肼?、接地環(huán)路和電平不兼容問(wèn)題,。超低功耗光電耦合器不僅可以節(jié)省功耗，還可簡(jiǎn)化電源和溫度管理的設(shè)計(jì),，提高LED使用壽命并直接和微控制器連接,。Avago可以提供不需犧牲高電壓絕緣和噪聲隔離性能的低功耗隔離方案。 LED輸入光電耦合器除了可以改變輸出極性并通過(guò)加入峰化電容提升速度外,，分離式平衡電阻的使用還為其帶來(lái)了卓越的抗噪能力,。


問(wèn)答選編

問(wèn)：功率驅(qū)動(dòng)電路中的光電隔離和過(guò)零檢測(cè)電路中的光電隔離的原理有什么區(qū)別？如何正確選擇光電耦合器,？

答：從光電隔離的角度來(lái)說(shuō)二者相似,。功率驅(qū)動(dòng)電路中的光耦擁有強(qiáng)大的電流輸出功能，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)如IGBT或Power MOSFET。過(guò)零檢測(cè)電路中的光耦則可能是常見(jiàn)的HCPL-817光電晶體管,，其功能是信號(hào)輸出,，無(wú)法驅(qū)動(dòng)功率器件。

問(wèn)：瓷封裝和塑料封裝光耦合器在性能和可靠性上有什么差別,？

答：工業(yè)項(xiàng)目中使用塑料封裝光耦合器就足夠了,。通常陶瓷封裝是在軍事或衛(wèi)星使用。

問(wèn)：什么叫擺率可控輸出,？

答：擺率可控輸出：基本上輸出擺率會(huì)隨著輸出負(fù)載變動(dòng),，因?yàn)樾枰鄷r(shí)間對(duì)更高負(fù)載充電。傳播延遲和PWD也會(huì)隨著負(fù)載電容增加,，對(duì)線(xiàn)路負(fù)載電容不同的平行通信造成問(wèn)題,。光電耦合器內(nèi)置擺率可控功能，確保輸出在不同負(fù)載電容下?lián)碛蟹€(wěn)定的上升和下降時(shí)間,。

問(wèn)：模擬絕緣放大器在應(yīng)用上要注意什么問(wèn)題,？

答：主要注意模擬絕緣放大器兩邊應(yīng)提供穩(wěn)定的電源、在 PCB板上布線(xiàn)以及選擇適當(dāng)?shù)妮斎胄盘?hào)范圍,。

問(wèn)：為了獲得更好的共模抑制特性,，數(shù)字光電耦合隔離器的引腳如何設(shè)置？

答：為了確保良好的共模抑制特性,，可在陽(yáng)極和陰極都輸入阻抗平衡的LED（即正向電流和返回電流路徑）,。通過(guò)使用“分裂電阻”的方法，可以平衡各LED的輸入阻抗,。在這種配置中,，由于在LED輸入共模噪聲電壓的上升將是對(duì)稱(chēng)的，所以不能打開(kāi)LED,，從而相對(duì)獨(dú)立的輸入正向電流,。

問(wèn)：光耦隔離的響應(yīng)速度和那些因素有關(guān)？目前大到什么水平,？

答：主要與LED,、光電感應(yīng)器等的速度有關(guān)。目前高達(dá)到50MB（HCPL-0710),。

問(wèn)：光電耦合器有必要再在外部進(jìn)一步屏蔽嗎,？目前有產(chǎn)品化的外屏蔽光耦嗎？

答：除非是處于極端嘈雜的環(huán)境或爆炸性環(huán)境中,，才可能要附上在PCB的接地外殼,。

問(wèn)：在數(shù)字開(kāi)關(guān)電源中，光耦隔離器如何設(shè)計(jì)才能達(dá)到精密穩(wěn)壓要求,？

答：視設(shè)計(jì)之要求而定,，可能需要使用更高的數(shù)據(jù)速率,。HCPL - 0723光電耦合器即可提供更快速的數(shù)字通信。