抗干扰神器光耦的原理及应用

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-08-28 11:47 142阅读 0赞

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来源 | 嵌入式客栈

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光隔离器，也称光耦。在电路设计中大量应用设计，今天来梳理一下光耦方面的知识。光耦虽简单，但也有些地方需要注意。

## 何为光隔离器 ##

光隔离器opto-isolator，是用于光在两个隔离电路之间传输电信号的电子元件。也称为光电耦合器，光耦合器。

常见类型的光隔离器由同一不透明封装中的**发光二极管LED**、**光电晶体管**组成。通常光隔离器传输数字（开-关）信号，但也有的光耦可以传输模拟信号。

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光将源-接收端耦合起来，这就是耦合的含义；

耦合之外还有一层含义是去耦合，有的噪声信号无法通过光信号传递到接收侧，这就是去耦合。

**所以一般理解耦合的理解，往往带有一体两面，一方面将设计所关心的有用信号传输到接收侧；另一方面将不需要的杂讯信号，阻挡在源端。**

有的光耦可以传输模拟信号

## 它是怎样工作的 ##

光耦包含一个光源，一般是一个近红外发光二极管 (LED)，一个封闭的光通道和一个光电传感器组成。

近红外发光二极管将输入端电信号转换为光信号，经过封闭的光通道，光电传感器检测到LED发出的光信号，并转换为电能或调制从外部电源流出的电流。

光电传感器可以是光敏电阻、光电二极管、光电晶体管、可控硅整流器 (SCR) 或双向可控硅。由于 LED 除了发射光之外还可以感应光，因此可以构建对称的双向光隔离器。光耦合固态继电器包含一个光电二极管光隔离器，用于驱动电源开关，通常是一对互补的MOSFET。

看下面的动画就比较形象啦：

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**正常数字信号经由光耦能顺利耦合传输到另一侧，而输入侧各种干扰杂讯信号则无法通过光耦传递到输出侧。**

常见的隔离技术有：光电隔离、继电器隔离、变压器隔离等。光介质、磁介质隔离是主要的两种技术手段。

为什么干扰信号大概率无法通过光耦呢？

*  干扰源的内阻一般都很大，虽然也能输出比较高的干扰电压，但是可输出的能量一般很小，只能在回路中形成很小的干扰电流，这些干扰电流由于很小，则无法激励发光二极管发光，发光二极管需要一定大的电流才能发射出光能，由于没有足够的能量，则无法闯关成功，被阻挡在输入侧了。
 *  光耦本身的输入阻抗很低，而干扰源的内阻一般很大，从这个角度讲，干扰源输出信号按照分压原理，施加到LED的干扰电压也很小。
 *  光耦输入/输出侧等效电容很小，PF量级，绝缘电阻又非常大，一般可达到
 *  光在封闭的光路中进行传输，光路不会受到外接光的干扰。

## 为什么需要隔离 ##

电子产品的信号线或者电源线可能会受到闪电、静电放电、射频传输、开关脉冲和电源扰动引起的电压浪涌的影响。

雷击可引起高达10kV的浪涌电压，比许多电子元件的电压限制高出一千倍。产品电路本身也可能包含高压电路，在这种情况下，就需要安全、可靠的方式将高压电路与数字低压器件连接起来，那么隔离技术就是一个很好的技术手段。

光隔离器的主要功能是阻止这种高电压以及电压瞬变，使系统某一部分的浪涌不会干扰或破坏其他部分。

## 常见的光耦结构 ##

常见的光耦合器有四种形式，不同之处在于所使用的光敏器件。光电三极管和光电达林顿管通常用于直流电路，光电可控硅和光电双向可控硅用于控制交流电路。在光电三极管光耦合器中，晶体管可以是 PNP 或 NPN。达林顿晶体管是一对双晶体管，其中一个晶体管控制另一个晶体管的基极。达林顿晶体管提供高增益能力。

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## 举个栗子 ##

曾经使用光耦隔离驱动一个DA芯片，该DA量输出需要控制其他设备，该模拟输出需要与数字控制部分做隔离，下面是其中的部分电路：

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先大致看看FODM453这款光耦：

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其中两个指标稍作说明：这款光耦速度比较快，可以做到1MBit/s。**选择光耦的时候，需要考虑光耦的速度是否够用。**

这里有个术语CMR，是指Common Mode Rejection的缩写，什么意思呢？

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在输入与输出脚之间施加一个瞬变的脉冲电压，在如上测试该指标测试电路中会测得一个输出电压的变化，因此该指标就是定义输出Vo在该测试条件下，上升沿、下降沿的变化速率。

使用光耦个人觉得需要注意的一些要点：

*  限流电阻选取
 *  输入输出侧需要为隔离电源

# 限流电阻 #

要计算输入限流电阻，需要查询所选取的光耦的前向工作电压的典型值，比如FODM453，输入正向工作电压典型值为1.6V

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比如按照规格书中的典型测试值16mA选择电阻，则

因此实际电路中，比如我选择了200Ω，电流为17mA，小于允许的50mA。

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事实上电阻再选大一点，比如使正向电流为10mA,电阻大约300Ω，也是可以的。

**限流电阻如果选择过大，则正向电流又可能过小，有可能导致无法正确传递信号；如果电阻选择过小，则正向电流有可能过大，则容易损坏光耦。**

# 电源 #

输入侧与输出侧需要单独供电，两路电源需要没有直接回路，才能真正的实现光隔离，比如如接成下面这样：

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两侧虽然电源电压不一样，但是如果是共地的，如果想用光耦做隔离，则光耦就白用了，隔离作用全无。当然这样可以做逻辑电平转换，但是用光耦只做逻辑电平转换，则有点不合算，完全可以用专门的逻辑电平转换芯片。

这样的栗子，也捎带着说明，光耦在隔离的同时，两侧的电压等级设计不一样，还可以实现逻辑电平转换。比如现在很多芯片的IO脚电平是1.8/3.3V，而外部电路可能是5V或者其他电平，如果还需要实现隔离，则可以选择光耦。

## 总结一下 ##

之前做过些简单硬件相关的工作，硬件很多知识很复杂。光耦在抗干扰方面应用很多，尤其在一些工业设备中，常见的输入、输出接口大概率都会设计成带隔离的接口，你或许会看到Galvanic isolation这样一个需求术语，那么光耦隔离技术就是其中的一种实现手段。

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