光耦电路的CTR裕量计算

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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

    8701的ELECTRICAL 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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