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[導(dǎo)讀]電源適配器、家電用品、智能手機(jī)的充電器——這些都是需要在兩個(gè)電路之間進(jìn)行電氣隔離的應(yīng)用。電氣隔離可以通過使用譬如變壓器、電容和光耦等不同的方式來實(shí)現(xiàn)。


電源適配器、家電用品、智能手機(jī)的充電器——這些都是需要在兩個(gè)電路之間進(jìn)行電氣隔離的應(yīng)用。電氣隔離可以通過使用譬如變壓器、電容和光耦等不同的方式來實(shí)現(xiàn)。

光耦的好處是能夠消除阻抗失配,并且可以在較小的封裝尺寸中實(shí)現(xiàn)高隔離電壓和極佳的抗噪聲性能。此外,光耦還可以用于傳輸直流和交流信號、模擬和數(shù)字信號,以及中低頻信號。

光耦在電路中的主要任務(wù)分別是:將使用者與危險(xiǎn)的電氣系統(tǒng)隔離開、將低壓控制電路與高壓電路隔離開、為電路系統(tǒng)提供過壓保護(hù)。

光耦的結(jié)構(gòu)

最簡單的光耦合器是由紅外 LED與光電晶體管耦合形成的,因?yàn)橛晒鈱?shí)現(xiàn)耦合,故二者之間可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離。當(dāng) LED 發(fā)光時(shí),光電晶體管會產(chǎn)生電流,電流強(qiáng)度與光強(qiáng)度成正比。

市面上有兩種類型的光耦合器:直流輸入型光耦和交流輸入型光耦。直流輸入型光耦在輸入側(cè)僅有一個(gè) LED,因此只能輸入單向電流。這種光耦通常用于開關(guān)應(yīng)用。

交流光耦具有兩個(gè)反向并聯(lián)的 LED,使得輸入電流能夠雙向流動,從而使每半個(gè)周期的交變輸入信號都能輸出一個(gè)半波。

圖1:左:直流光耦;右:交流光耦

如何選擇合適的光耦合器?

隔離電壓是一個(gè)重要參數(shù),該參數(shù)由爬電距離、電氣間隙和絕緣厚度(或者可以說是封裝厚度)決定。不同的封裝尺寸和類型以及各種引腳類型(DIP4、SOP4、LSOP4、THT 和 SMT 封裝等)使得工程師能夠?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用選擇合適的元件。

CTR——光耦的重要參數(shù)

描述光耦性能的一個(gè)重要參數(shù)是電流傳輸比 CTR。它的定義是光電晶體管產(chǎn)生的電流 IC與流過 LED 的電流 IF的比值。

為了使產(chǎn)品能夠穩(wěn)定工作,當(dāng)電路設(shè)計(jì)中包含光耦時(shí),一定要了解 CTR 值會受環(huán)境溫度的影響以及會隨時(shí)間推移不斷降低。

伍爾特電子光耦產(chǎn)品線的 CTR 值涵蓋 50% 到 600%,劃分為不同的區(qū)間范圍,客戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行選擇。

如何延長壽命?

哪些參數(shù)會影響光耦的壽命?

電路設(shè)計(jì)的主要考慮因素之一是預(yù)期壽命,它取決于產(chǎn)品本身以及其中所包含的單個(gè)元件的壽命。在考慮元件時(shí),有些元件可能會完全失效或隨著時(shí)間的推移性能下降。對于光耦合器而言,CTR 性能會隨著時(shí)間的推移而降低,具體情況取決于工作條件。

光耦的壽命可能會超過幾十年,因此需要使用更嚴(yán)苛的條件來加速壓力測試。

對于可靠性測試而言,縮短壓力測試的時(shí)間并預(yù)測正常使用條件下的最終壽命是非常有意義的。在更高的溫度和電流的條件下測試光耦時(shí),器件老化的過程比在正常工作條件下要快得多。

CTR 的老化速度取決于工作時(shí)的正向電流 IF 和工作時(shí)的環(huán)境溫度TA。需要注意的是,可以通過降低 LED 的工作溫度并降低驅(qū)動正向電流來減緩 CTR 老化。

圖2:正向電流對于預(yù)期CTR 老化率以及工作時(shí)間的關(guān)系。現(xiàn)場工作參數(shù):100% 占空比、80°C 環(huán)境溫度、正向電流如圖所示。壓力測試參數(shù):1000 小時(shí)測試,110°C 測試溫度,30 mA 正向電流。

圖3:溫度對于預(yù)期CTR 老化率以及工作時(shí)間的關(guān)系?,F(xiàn)場工作參數(shù):100% 占空比,5 mA 正向電流,環(huán)境溫度如圖所示。壓力測試參數(shù):1000 小時(shí)測試,110°C 測試溫度,30 mA 正向電流。

如何延長光耦的使用壽命

根據(jù)上述可靠性數(shù)據(jù),我們建議采用以下方法來延長光耦的使用壽命:

1. 減少光耦的有效工作時(shí)間

2. 降低 LED 二極管的工作電流和功耗

3. 避免 LED 經(jīng)受峰值瞬態(tài)電流

4. 調(diào)整 LED 的占空比,以保持較低的平均電流

此外,對于需要高可靠性的關(guān)鍵產(chǎn)品,例如醫(yī)療設(shè)備,光耦器件的可靠性可以通過老化篩選工序來進(jìn)一步提高。但為了避免設(shè)備被損壞,進(jìn)行該工序時(shí)的老化參數(shù)應(yīng)控制在最大額定值以下。


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