2 什么是光耦合器？

光耦合器是一種隔離器件，其中包含一個發(fā)光元件和一個光敏元件，用于傳輸信號，同時阻斷它們之間的接地電位差 (GPD)。發(fā)光元件通常是發(fā)光二極管 (LED)，而光敏元件通常是光晶體管或光電二極管。

為了使光耦合器實現(xiàn)信號隔離，其內(nèi)部的 LED 和光晶體管（或光電二極管）通過距離和絕緣材料進行物理隔離。這里的絕緣材料可以是環(huán)氧樹脂或模塑化合物，也可以只是空氣間隙：這三種材料都具有相對較低的介電強度屬性，可實現(xiàn)電壓絕緣。圖 2-1 展示了光耦合器的橫截面圖：

圖 2-1 光耦合器橫截面

隨著時間的推移，通過光耦合器的信號傳輸性能會因 LED 的老化以及所用半透明隔離材料的渾濁或泛黃而降低。隨著 LED 老化變暗或環(huán)氧樹脂老化發(fā)黃，透射光線的強度會逐漸減弱；因此，需要更大的電流來驅(qū)動 LED 輸入，以達到光耦合器為新時的亮度。如果系統(tǒng)設(shè)計人員不對這種信號傳輸衰減進行補償，光耦合器將輸入信號傳輸?shù)礁綦x輸出的能力最終會達到臨界點，甚至完全失效。為了應對這個問題，除了要考慮數(shù)據(jù)表規(guī)格外，大多數(shù)光耦合器還要求設(shè)計中包括一個輸入電流保護帶，以便 LED 能夠在整個使用壽命內(nèi)更好地傳輸信號。這種額外的輸入電流會導致光耦合器和整個系統(tǒng)從設(shè)計的一開始就產(chǎn)生更高且可能不必要的功耗。

在正常運行期間，隔離器件任一側(cè)的高壓擺率或高頻瞬變都可能會破壞通過隔離柵進行的數(shù)據(jù)傳輸。共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 是兩個隔離電路之間所施加共模電壓的最大容許上升或下降速率，通常以 dv/dt 來測量，單位通常為 kV/μs 或 V/ns。CMTI 是一個關(guān)鍵的信號完整性參數(shù)，與所有隔離信號器件的隔離信號魯棒性相關(guān)，而隔離信號器件會受到兩個單獨接地基準之間的差分電壓影響。隨著新一代功率半導體器件的不斷進步并得到采用，客戶終端設(shè)備和應用需要更快的開關(guān)頻率和更高的幅度。大多數(shù)高速數(shù)字光耦合器的 CMTI 規(guī)格最大值為 25kV/μs。由于 CMTI 最大值如此之低，因此在接地層之間的快速共模瞬變期間，例如在電源或逆變器應用中的晶體管開關(guān)期間，數(shù)字光耦合器的輸出信號中會出現(xiàn)毛刺。由于這一原因，光耦合器通常不用于需要快速開關(guān)高密度電源應用的場合。

許多常用的光耦合器以其二極管輸入和晶體管輸出特性而聞名，使用這些光耦合器時，輸出晶體管灌入的電流與流經(jīng)輸入 LED 的電流成正比。用于量化此屬性的參數(shù)稱為電流傳輸比 (CTR)，定義為通過晶體管的輸出電流 (I_C) 與通過輸入 LED 的輸入電流 (I_F) 之比，以百分比表示。隨著時間和溫度的變化，大多數(shù)光耦合器的 CTR 值可能會發(fā)生顯著變化。與 LED 老化的情況類似，這意味著為了確保足夠高的輸出驅(qū)動強度來實現(xiàn)正確的信號傳輸，系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮最壞情況下的變化并相應地增加輸入正向電流。這也會導致光耦合器出現(xiàn)不想要甚至可能是不必要的功耗。