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[原创] 光耦电路的CTR裕量计算

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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2021-3-20 18:34:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
    1 引言
    光耦CTR裕量设计是一个重要但容易被忽略的环节,并且在一些复杂光耦电路中,对光耦CTR的计算往往会不准确。在某产品线的开发设计过程中,光耦的CTR裕量问题至始至终伴随着产品成长,从刚开始接触CTR裕量到慢慢的深入计算,历经坎坷,总结一些经验,在此共享给大家。光耦CTR裕量涉及到三个方面:
    1)实际电路的CTR最大值;
    2)光耦工作条件下的CTR范围;
    3)裕量是否合适。
    2 实际电路CTR计算
        准确的计算出Ic(max)和If(min):CTRmax = Ic(max)/If(min)p,以实际电路说明:
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg
    电路说明:X0和COM之间输入18~26V时光耦导通,光耦前端有二极管整流(双极性输入),光耦使用PS8701,副边3.3V电源,并且经过施密特驱动。环境温度-5~55℃。
    1) 计算Ifmin
    需要计算光耦原边压降Vfmax,Vf值与If有关,需要先估算If大小。
    If ~= (18V – 1.1V ×2 – 1.7V) / 3.3K – 1.7V / 1K = 2.57mA
    注:式中1.1V为二极管管压降。
    根据8701器件资料:
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg
    在16mA Ta=25℃条件下,Vf最大值为2.2V
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg
    图中为一个抽样样品If-Vf关系曲线,在Ta=25℃,If=16mA时,对应Vf(16mA) = 1.75V,Vf(2.5mA) = 1.62V。结合上表16mA/25℃时,Vfmax =2.2V,比例计算出:
    在2.5mA/25℃条件下,Vfmax= Vf(2.5mA)/Vf(16mA) × 2.2V = 2.04V
    实际Ifmin = (18V – 1.1V ×2 – 2.04V) / 3.3K – 2.04V / 1K = 2.13mA
    2) 计算Icmax
    因为后续施密特驱动电路的Vi低电平门限是0.8V,所以:
    Icmax = (3.3V – 0.8V ) / 6.8K = 0.35mA
    (注:在此电路中应称为能满足后续电路要求的最小Ic,为固定值。一些光耦干节点输出时,Ic由负载决定,就应该综合计算最大的Icmax)。
    3) 在Ta = 25℃下
    CTRmax = Icmax / Ifmin = 16.5%
       
    3 光耦CTR范围
        8701ELECTRICAL CHARACTERISTICS参数中,在Ta=25℃/If=16mA时,最小15%
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg
        CTR范围与If大小,Ta都有关系。
    1)  受If影响
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg
    此图并非光耦的CTR上限、下限和典型值曲线,而是三个抽样器件的CTR-If关系曲线,实际If处的最小CTR值应根据该If与16mA在图中对应CTR的比例,结合16mA的最小CTR值来计算。
    图中,有三个光耦的CTR-If关系曲线,最底下一条较接近上表中的参数,所以选取下面一条曲线进行计算(其他两条曲线趋向基本相同)。
    用最下面一条曲线:CTR(16mA) = 15.1%,CTR(2.13mA)=22%。那么Ta=25℃,If=2.13mA下,器件可能的最小CTR(ELECTRICALCHARACTERISTICS参数15%进行比例计算):
    CTRmin  = CTR(2.13mA) / CTR(16mA) × 15%
            =21.85 %
    2)  受温度影响
    file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg
        如图所示,光耦工作在-5~55℃,应该加上0.9倍的校准系数。
    CTRmin= 21.85 %×0.9 = 19.7%
    所以,在-5~55℃工作温度范围,If = 2.5mA条件下PS8701的CTR最小值为19.7%。
    此节未考虑光耦CTR随时间的而减小的影响,有些器件资料中会给出曲线,可以放到裕量设计中。
    4 CTR裕量
    根据实际设计计算的最大CTR,还有器件可能的最小CTR来分析:
    16.5%/ 19.7% = 83%
    考虑到光耦外围电路受温度、时间,以及光耦CTR本身受时间的影响,一般裕量保证大于30%。
    如果光耦CTR设计没有裕量,那么肯定不合格。有时候为了达到其他一些方面的性能,会牺牲掉一部分裕量。如上例中光耦CTR裕量只有17%,但考虑到高速性能,很难达到高速和CTR裕量两个都满足。
    5 总结
    1)CTR设计要有裕量;
    2)设计If、Ic时,应充分考虑前后电路特性;
    3)器件的CTR范围应根据实际的应用条件来估算出来;
    上例中电路具有代表性,如果在实际中有更复杂的光耦电路,更应该谨慎计算分析。

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