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光耦设计中，最让人头痛的是随着工作时间的推移，CTR会逐渐下降，超出了设计时的最小规定值，使电路工作不正常。甚至LED完全老化，光耦丧失基本功能。 业界通常以CTR下降到标称值的30%或者50％为光耦失效标准。 决定CTR的关键因素有： LED 光输出量（LOP），三极管的Hfe（放大倍数），温度，LED电流，元件结构。 长时间工作造成CTR下降最主要的原因是LED的光输出功率（light output power)的衰减。 发光功率衰减的重要原因是热应力。如很高环境温度和较大的正向LED电流。 可以设想有这样一个函数⊿CTR=F(Ta, IF, t)。 其中⊿CTR是CTR的下降量； Ta是工作环境；IF是LED的电流，t是工作时间，最大的t就是寿命。 1. IF的确定 假定已知有一个参照系统S_r，其试验条件：LED的通态电流为IF_t，温度Ta_t条件下，LOP每年下降m(假设m=10% 。有HCNW136实验基础，本文从略. 但是根据线型光耦HCNR201的实验结果，CTR不是按照线型规律下降。看来这个还需要做通用光耦的CTR老化实验。本文仍然假定为通用光耦的CTR按照线型规律下降 ）。 而实际设计的系统S_d中IF=5mA，温度Ta=70℃条件下，根据相关公式可以得出加速因子A.（具体推导本文从略）。 以我司最常见的通用光耦PS2701-1-V-F3-A/P为例， 该光耦的最小工作电流IFmin=1mA. 对应的最小发光量为LOP0; 假定LOP近似和IF成正比。 可知，本系统中光耦能够工作条件下允许最大CTR下降程度为： ΔCTR_inh=(IF-IFmin)/IF=80% ; 假如设计中允许的ΔCTR_sys为50％ ， 则在参照系统S_r条件下，该光耦可以工作ΔCTR_sys/m =5年。 考虑到加速因子A, 则实际系统中预计能够连续工作5×A年。 再考虑到占空比D， 则实际预计寿命为5×A年/D. 看看是否能够满足产品寿命。 如果不行，就必须调节IF或者增大设计允许的ΔCTR_sys，直到满足产品寿命为止。 ΔCTR_sys≤ΔCTR_inh 对于IC output、栅极驱动光耦、SS_R，晶闸管输出等输出类型，因为输出电流大小和IF没有直接关系，所以ΔCTR_sys=ΔCTR_inh。 本文提供的寿命公式见附件。
2． IC的取值 由附件中的工具可以得出： IF=5mA，设计的ΔCTR为50％ ，则估计的连续工作寿命：100℃时是21015h. 注意：IF选取如果太小，初始CTR（CTR_0）可能会太小，不利于设计IC。见下图。 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg 图1 根据datasheet, 该光耦P级器件在常温、IF=5mA, VCE=5V时的CTR为150％～300％ 。 考虑到实际系统工作在100℃， 查该光耦的CTR-Ta曲线， file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg 图2 可知，该光耦在温度为100℃下，初始CTR下降到约75％。(注意图2是CTR标准后的图)。 则100℃时，起始CTR(@IF=5mA, VCE=5V)=（150%~300%）*0.75=112%~225% 而我们要把光耦设计在开关状态， 即饱和导通VCE=0.4V。 根据厂家提供的PS2701的相关曲线(图3)， 可以看到 CTR(@IF=5mA, VCE=0.4V)时典型值是100％ . file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg 图3 实际上，根据经验，CTR@IF=5mA, VCE=0.4V，25℃ 大概是CTR@IF=5mA, VCE=5V，25℃时的0.9倍左右。 我们可以估计PS2701-1-V-F3-A/P[注意本例选用的是P级器件，而厂家的参考图(图3)是不分级的典型值]的起始CTR@5mA, VCE=0.4V,100℃时, 起始CTR_0=CTR（@IF=5mA, VCE=0.4V, 100℃）=（150%~300%）*0.75*0.9=101%~202% 则起始IC饱和临界点 IC_SAT_0=5mA* CTR_0=5mA~10mA, 到产品生命结束时，ΔCTR=50% (由设计确定ΔCTR下降50%) CTR_end=CTR_end(@IF=5mA, VCE=0.4V) =(101%~202%)*50%=55.5% ~ 101%。 开关应用，为了确保该光耦导通时处于饱和状态， 必须保证在整个产品周期内 IC< IC_SAT 则： IC_end=IF*55.5%= 5mA*55.5%=2.77mA 考虑一定裕量90％ ，取IC=2.77×90％=2.49mA. 如果VC=5V, 则RC>(5-0.4)V/2.49mA=1.77k 注意IC越大，光耦老化的越快，但是如果RC太大（IC太小）， 可能容易引入干扰。设计中只要IC>0.36mA(1LSTTL负载)就可以了。如果该光耦驱动电流不够，可以在后级增加驱动电路。 再举一个6N137的例子， file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg 该光耦是IC输出光耦，厂家的最小推荐值IF是5mA. 假设设计系统的工作温度是80℃， 因为该光耦的输出电流和IF没有直接关系，则允许的ΔLOP＝(IF-5mA)/IF. 利用本文附件提供的公式，通过尝试可以得出IF=11mA时对应的寿命最长，连续工作寿命为30371小时。 也就是预计能够连续工作3万小时左右。输出部分可以根据厂家的推荐设定。 当然，根据手册，输出电流的大小和IF还是有一点关系，在IF推荐值范围内，IO驱动能力变化在10％以下。和光耦的寿命关系不大。 凡是输入和输出电流没有直接比值关系的光耦、SSR都可以参照这样设计（厂家不标CTR参数）。如IC输出、栅极驱动输出、晶闸管输出型光耦。 经验总结：除非特殊需求，建议IF取值在3mA～15mA.具体和器件的推荐值、光耦的预估寿命有关。
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发表于 2021-3-20 18:42:30
