新一代光电耦合器简化设计并提供保护

　　在一些需要通过绝缘层传送信息但却不允许物理电气接触的场合，通常需要一些隔离器件，依照信号经过绝缘层传送方式的不同，有几种型态的隔离器可以选择，其中较为普遍的就是通过光的方式传送，这类隔离器件就称为光电耦合器(Optocoupler)。

　　光电耦合器由包括发光二极管(LED)、光检测器以及其他输入和输出编解码电路组成。图1为典型光电耦合器的剖面图，首先电气信号激励发光二极管中的电子然后产生光子，光子通过非传导性的绝缘层到达光检测器，接着光检测器将这个光子信号转换回到电气信号。由于信号通过光的形式传送，因此光电耦合器的抗电磁干扰(EMI )能力会比通过电磁波方式传送信号的隔离器件要更好，非常适合高电磁波环境下工作的设备，例如电机控制和恶劣环境下的工业应用， 而通过IEC60747-5-2强化绝缘标准认证的安华高科技(Avago Technologies)光电耦合器产品可以为设备和使用者带来更高的可靠度和更好的保护。

　　使用光电耦合器有三个主要好处，请参考图2，首先它可以用来隔离并避免其中一个模块上所发生的短暂时间高电压浪涌损害另一个模块以提供保护，这类隔离非常重要，特别是经常通过通信总线连接大型高电压机器设备的工业环境，另外，光电耦合器也有助于保护操作这些机器的人员并确保安全性；第二，光电耦合器可以帮助阻断接地环路(groundloop)，也就是电气系统中共用相同路径两点间不必要的电流，如果接地环路电流没有被消除，就可能影响信号的完整性，甚至触发错误信号。另一方面，光电耦合器也可以用来抑制同时发生或出现在浮动接点上的高共模瞬变噪声，否则将会造成不正常的电压瞬变，或是在输出信号上产生过多噪声。不管高CMR变化率，光电耦合器中的低耦合电容可以降低共模电压，保护信号的质量，这对于容易受到噪声影响的电路，例如传感器前端、模数转换器以及信号收发器等特别重要；最后，光电耦合器也可以应用作为电平转换器来调整不同电源电压系统或电路间的不兼容性。

　　为了满足不同输入驱动方式、电压或电流的需求， 市场上提供有不同的光电耦合器产品，请参考图3 。可以感应电压信号的光电耦合器通常内置有缓冲器， 这个缓冲器可以让我们进行LED驱动电流的波形失真控制，对于直接L E D 驱动的光电耦合器， 信号通过电流的方式传送，因此较不容易受到高噪声环境，例如变频驱动和开关电源的影响。另外， 在直接LED驱动光电耦合器上， 限流电阻和LED的输入电容可以形成低通R C 滤波器来滤除高频噪声， 例如4mA最小输入顺向电流的直接LED驱动光电耦合器就可以直接连接到具备足够电流驱动能力的微控制器输出， 而不需要在光电耦合器的输入端加上电源， 请参考图6 。输入LED以及输出电路间具备有电气隔离， 因此提供了满足不同需求电气连接的高灵活度。

　　对于直接LED驱动光电耦合器， 可以通过不同的输入连接方式达到图4 中的反向和非反向输出， 图中两个拓朴结构间的主要差异是， 图4 ( i ) 中的L ED会在输入为高逻辑信号时导通， 而图4 ( i i ) 则在低逻辑信号导通， 这不仅可以为设计工程师带来逻辑输出的高灵活度， 并且可以改善芯片的功耗，特别是占空比不在5 0%时。例如如果输入信号的占空比为2 0%， 通过使用图3 ( i ) 中的配置，LED会在2 0%的时间导通并在其他8 0%关断，因此可以降低整体的电流消耗。

　　光电耦合器也可以用来作为电源电平转换器以便集成不同电源的系统， 例如在等离子显示屏的应用上会在四个主要的单元激励阶段， 分别为设定、扫瞄、维持和擦除，依显示屏所处阶段的不同， 驱动电压的大小可能有0V~ 4 6 0V的变化。依绝缘层厚度的不同， 光电耦合器可以承受5 6 0 V ~ 1 4 1 0 V的最高工作电压， 也就是图1 中的绝缘电压(DTI , Di s t a n c e Th r o u g h I n s u l a t i o n ) ， 以及封装的爬电距离与电气间隙， 除了进行不同电源电压的电平转换外， 目前市场上的新光电耦合器产品也可以用来匹配逻辑电平，例如安华高科技公司的ACP L - 0 7 2 L 光电耦合器可以用来集成3 . 3 V 逻辑和5 V 逻辑电路， 请参考图5 。随着许多特定应用ASIC产品和微控制器朝向更低电源电压发展以节省功耗， 但输出输入还是维持在较高电压以便取得更好电源兼容度的趋势下， 这样的需求更重要。

　　另外， 为了便于整合， 目前市场上也提供有在单一封装内包含多通道光电耦合器的产品， 例如图6 中的4 通道双向光电耦合器被用在传感器应用中， 用于微控制器和模数转换器或传感器间传递信号， 这类光电耦合器可以在较大直流电压下进行微小信号的感应和测量， 并阻断接地环路电流， 让传感器芯片通常原本低于100V的电压感应能力提升到超过500V的共模电压。安华高科技的ACSL-6 4 1 0 在单一封装中集成了4 个光电耦合器，可以大幅度地节省电路板空间， 同时可以设定为正反向的不同通道配置能力更可以让我们在相同芯片上同时进行信号的传送和接收，请参考图6。

　　总的来说， 现阶段的光电耦合器集成了许多功能， 例如逻辑电平转换、多重通道以及不同逻辑输出等， 可以在提供电气隔离外改善设计的灵活度。

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