中心議題：

• 光耦合器的性能特點
• 線性光耦合器的產品及選取原則
• 開關電源中光電耦合器電路的設計

隨著開關電源技術和綠色電源的飛速發(fā)展，APFC技術成為當前研究的熱點，電子式開關電源技術已經成熟，而且有相當多的控制方式。目前人們正在進行數(shù)字式開關電源的研究與開發(fā)，已經有數(shù)字式帶功率因數(shù)校正的開關電源產品上市。對于數(shù)字式開關電源，隔離技術和抗干擾技術是至關重要的，隨著電子元器件的迅速發(fā)展，光電耦合器的線性度越來越高，光電耦合器是目前在單片機和開關電源中用得最多隔離抗干擾器件。

光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應用。通常的光電耦合器由于它的非線性，因此在模擬電路中的應用只限于對較高頻率的小信號的隔離傳送。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開關）信號，不適合傳輸模擬信號。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應用領域大為拓寬。

光耦合器的性能特點

光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導體二極管發(fā)光；由于光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響；光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω）、隔離電容很小（約幾個pF）所以能阻止電路性耦合產生的電磁干擾。線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會成比例地產生一個用于進一步控制下一級的電路的電壓。線性光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，當發(fā)光二極管接通而發(fā)光，光敏三級管導通，光電耦合器是電流驅動型，需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導通，如果輸入信號太小，發(fā)光二極管不會導通，其輸出信號將失真。在開關電源，尤其是數(shù)字開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。

光耦合器的技術參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。

電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。其公式為：

采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～300%（如4N35），而PC817則為80%～160%，達林頓型光耦合器（如4N30）可達100%～5000%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。線性光耦合器與普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲線，分別如圖1中的虛線和實線所示。

由圖1可見，普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關系。這是其重要特性。

使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設計電路時，必須遵循下列原則：所選用的光電耦合器件必須符合國內和國際的有關隔離擊穿電壓的標準；由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，目前在國內應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平)，可以用于單片機的輸出隔離；所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。
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線性光耦合器的產品及選取原則

線性光耦合器的典型產品及主要參數(shù)見表1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管。

在開關電源的隔離中，以及設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數(shù)， 除了必須遵循普通光耦的選取原則外，還必須遵循下列原則：

1、光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR＜50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF＞5.0mA)，才能正?？刂茊纹_關電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

2、若用放大器電路去驅動光電耦合器，必須精心設計，保證它能夠補償耦合器的溫度不穩(wěn)定性和漂移。

3、推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。

上述使用的光電耦合器時工作在線性方式下，在光電耦合器的輸入端加控制電壓，在輸出端會成比例地產生一個用于進一步控制下一級電路的電壓，是單片機進行閉環(huán)調節(jié)控制，對電源輸出起到穩(wěn)壓的作用。

開關電源中光電耦合器電路的設計

在圖2的開關電源中我們采用的電壓環(huán)進行閉環(huán)調節(jié)實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出，選用NEC公司的PS2501光電耦合器作為輸入采樣、反饋信號、輸出驅動與單片機之間隔離器件，一方面光電耦合器可以起到隔離兩個系統(tǒng)地線的作用，使兩個系統(tǒng)的電源相互獨立，消除地電位不同所產生的影響。另一方面，光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅動器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式，電流環(huán)路是低阻抗電路，對噪音的敏感度低，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，起到了電磁兼容和隔離抗干擾的作用，不會因為電路中的高頻電流的電磁干擾對單片機產生干擾，同時消除了電磁干擾而引起開關管誤觸發(fā)造成的損壞，而且線性度也比較好。所以在圖2中，單片機與模擬電路分別使用相互獨立的電源，COM1與COM2是兩個不同的電源地，以消除模擬電路對單片機的干擾。

TL431是一個基準電壓穩(wěn)壓器電路，它可以作為低溫度系數(shù)的可編程參考放大器使用，允許灌入電流大100mA。在TL431內部是一個2.5V的基準電壓，因而它的參考端輸入電壓可由直流輸出電壓的分壓來提供，可使它呈現(xiàn)優(yōu)良的工作狀態(tài)。它具有很低的輸出噪聲和僅為50ppm/C的溫度系數(shù)。用來作參考基準電源十分理想。在圖2中電阻R11和電容C6組成的阻容網絡在實際應用電路中是必不可少的，它主要用于品率補償。

為了徹底阻斷干擾信號進入系統(tǒng)，不僅信號通路要隔離，而且輸入或輸出電路與系統(tǒng)的電源也要隔離，即這些電路分別使用相互獨立的隔離電源。對于共模干擾，采用隔離技術，即利用變壓器或線性光電耦合器，將輸入地與輸出地斷開，使干擾沒有回路而被抑制。在開關電源中，光電耦合器是一個是非重要的外圍器件，設計者可以充分的利用它的輸入輸出隔離作用對單片機進行抗干擾設計，并對變換器進行閉環(huán)穩(wěn)壓調節(jié)。