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[原创] 光耦开关应用电路的设计方法

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    [LV.1]初来乍到

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    发表于 2021-3-20 18:42:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
    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_sysΔCTR_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CTRCTR_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(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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