应用光电耦合器必知的系统设计规范 安捷伦科技公司 隔离产品分部技术商业顾问/Alexander Jaus 设计牢靠的电子系统是一件极具挑战性的任务。所相中的元器件必需满足环境条件的苛刻要求，其中可能包括电磁干扰、静电放电、共模瞬变和高压。通过提供信号隔离及高压绝缘功能，光电耦合器解决了所有这些挑战。 倾向较低的工作电压以降低功耗，及缩小封装以装在小型电子器件的有限空间中，这些市场发展趋势给设计人员带来了新的挑战。与印刷电路板布局、工作条件、专用参数和规范要求有关的其它因素也非常重要，在早期设计阶段必须考虑这些因素。设计人员通常可以选择不同的解决方案和技术。本文将重点介绍与光电耦合器有关的部分设计考虑因素。 使用光电耦合器的原因主要有两个： 信号隔离：通过消除组环路电流，阻塞噪声信号和共模瞬变，改善信号质量。 电气绝缘：防止光电耦合器和灵敏电路因高压电势而引起损坏，使用户能够安全地使用元器件或设备。 规范要求非常关键 要求流电隔离的应用通常位于存在高压的环境中。隔离器能够保持和隔离高压(包括瞬时电压和工作电压)，这也正是许多电路中要求采用光学耦合器的原因所在。设备操作人员和设备内部的电路可能需要安全隔离和高压保护。由于高压的潜在危险，使用流电隔离器和设备的环境通常具有安全标准规范要求。这些规范的目的，是为用户提供安全保护，为应用高压的行业提供指南。鉴于存在着大量的规范机构和相关标准和规范，光电耦合器制造商和设备供应商在遵守规范规定方面可能会出现混淆。 世界上各个地区都确立自己的标准，本国机构会对设备和产品签发审批或认证证书。由于标准机构开始时通常是国家机构，因此许多国家都拥有自己的规范环境。随着国际商务发展，出现了转向大洲或国际安全规范和标准的趋势。表1是通常与电气/电子系统、特别是隔离器件有关的多个标准机构。 表1：部分最经常遇到的标准机构 机构名称 宗旨 CENELEC (欧洲电工标准化委员会) 协调欧洲标准 UL (美国安全检测实验室) 美国标准 IEC (国际电工委员会) 国际电子标准 CSA (加拿大标准协会) 加拿大标准 DKE (Deutscher Elektrotechnische Kommission) 德国DIN/VDE标准 注意，DKE制订DIN规范，由于历史原因，某些DIN规范称为VDE(Verband Deutscher Electrotechniker)标准。尽管VDE编写了这些规范的原始版本，但维护和开发德国标准的职责属于DKE。DKE还在CENELEC和IEC中代表德国的利益。 表1和表2列明了对主要类别的应用，规范机构制订的设备级规范。每种设备规范都是主文档，有许多参考主文档的下一级规范，构成了整体规范要求。 表2：应用类别和全球/地区安全标准 地区 国际 欧洲 美国 加拿大 德国 机构 IEC CENELEC (EN) UL CSA DIN/VDE 工业 204 604 50178 508 14-M91 160 信息技术设备 950 60950 1950 950 60950 医疗 601 60601 2601-1 601 750 家电 65 60065 8730-1 -- 860 测量和控制 1010-1 61010-1 1262 1010 0410 0411 电信 950 60950 41003 1459 225 804 表3说明了光电耦合器件最重要的规范。设备级规范可以作为下一级文档参考的元器件级规范，在设备级规范和元器件级规范之间也可以没有任何直接关系。 表3：光电隔离器元器件级规范 地区 国际 欧洲 美国 加拿大 德国 机构 IEC CENELEC (EN) UL CSA DIN/VDE IEC 60747-5-2 EN 60747-5-2 1577 元器件验收五号通告 DIN EN 60747-5-2 对光电耦合器，目前最相关的元器件级标准是IEC/EN/DIN EN 60747-5-2。VDE 0884曾是光电耦合器的全球主导标准，直到2004年1月被IEC/EN/DIN EN 60747-5-2所代替。IEC/EN/DIN EN 60747-5-2规定了安全相关参数，如隔离电压(最大隔离电压和工作隔离电压)、间隙和漏电距离及其它与光电耦合器有关的其它参数。欧洲规范管理局(EN)和相关的国家管理机构(如德国DKE/VDE)在新标准中都遵守IEC。 如需与影响光电耦合器的规范有关的更详细的信息，请参阅安捷伦《光学耦合器设计人员指南》。可以从下述网址下载Adobe Acrobat格式的文件：www.agilent.com/view/optocouplerguide。 尽管可以通过各种技术实现功能隔离或电平移动，如高压集成电路(HVIC)，但在最高技术指标中被视为十分安全的加强隔离只能通过合格的脉冲变压器和光电耦合器实现。磁性隔离器或磁性耦合器等新兴技术目前只能视为提供了功能隔离，因为还没与其相关的全球公认的标准。设计人员需要知道其最终产品要求什么样的隔离质量，并选择适当的技术满足这些要求。 通过IEC/EN/DIN EN 60747-5-2测试的任何光电耦合器都经过加强隔离认证，因此在对安全至关重要的应用中可以作为合格的隔离器使用。最大隔离电压与封装尺寸(内部和外部间隙、漏电)、耐高压的介电隔离能力及模封装化合物特点(相对轨迹隔阻指数或CTI)有关。此外，光电耦合器件标准得到了各种设备级标准的认可，这也有助于检定设备质量。 共模抑制(CMR) 电路设计人员经常遇到共模噪声的负面效应。CMR故障与高压瞬变有关，其由于寄生电容而导致泄漏电流越过隔离边界。光电耦合器的寄生电容非常低，一般不到1 pF，而脉冲变压器常见的寄生电容则为40 pF以上。 泄漏电流与寄生电容成正比，其可能会非常大。转换斜率为10 kV/μs的瞬变电压会导致大约7 mA的泄漏电流，比光电二极管的电流要高1000多倍。基于这一原因，7 mA可能会干扰光电二极管的功能，光电二极管基本上是一个高增益跨导倒数放大器。 因此，设计人员使用屏蔽技术，最大限度地降低泄漏电流，使剩余的泄漏电流从输出IC的关键节点分流出去，特别是光电探测器区域。光电耦合器的屏蔽性能对整体抗CMR能力至关重要。安捷伦采用专有屏蔽技术，提供了高达15 kV/μs的CMR性能(图1)。通过优化输入电路，如把LED偏置电阻器分开，使用不要求上拉电阻器的低阻抗输出阶段，可以进一步改善性能。 图1：安捷伦的屏蔽技术明显降低了输入引脚和探测输出集成电路之间的寄生
