2.1 光耦隔离技术

2.1.1 基本原理

在隔离方面，光电耦合器（以下简称光耦）可谓是我们最为熟知的隔离器件，比如6N137，它在高速数字隔离方面运用广泛。

对于二极管型光耦，其原理如图2-1a所示，经由发光二极管和光电二极管组装在一起，它通过光线实现耦合构成电→光、光→电的变换器件。当电信号送入光耦的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏器件受到光照后产生电流，光电二极管导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光电二极管截止。对于数字量而言，当输入为低电平“0”且发光二极管不亮时，光电二极管截止，输出端为开路状态；当输入为高电平“1”且发光二极管发光时，光电二极管导通，输出端为短路状态。

对于晶体管型光耦，如图2-1b所示，是把发光器件（如发光二极管）和光敏器件（如光电晶体管）组装在一起，它通过光线实现耦合构成电→光、光→电的变换器件。当电信号送入光耦的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏器件受到光照后产生电流，光电晶体管的集射极（C、E）导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光电晶体管截止，集射极不通。对于数字量，当输入为低电平“0”且发光二极管不亮时，光电晶体管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”且发光二极管发光时，光电晶体管饱和导通，输出为低电平“0”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制等要求，这种光耦的性能较好，价格便宜，因此应用非常广泛。

目前，大多数光耦器件的隔离电压都在2.5kV（有效值）以上，有些器件高达8kV（有效值）。当前市面上既有高压大电流的大功率光耦，又有高速高频光耦（频率高达10MHz）。常用的光耦有4N25和6N137，其中，4N25的隔离电压为5.3kV（有效值）；6N137的隔离电压为3kV（有效值），它们的工作频率均在10MHz以上。

现将光耦器件的一般属性总结如下：

1）结构特点。输入侧一般采用发光二极管，输出侧采用光电晶体管、集成电路等多种形式，对信号实施电-光-电的变换与传输。

2）输入、输出侧之间有光的传输，而无电的直接联系。输入信号的有无和强弱控制了发光二极管的发光强度，而输出侧接收光信号激励，根据感光强度，输出电压或电流信号。

3）输入、输出侧有较高的电气隔离度，隔离电压一般达2.5kV（有效值）以上。能对交、直流信号进行传输，输出侧有一定的电流输出能力，有的可直接拖动小型继电器。线性光耦器件能对mV级甚至μV级的交、直流信号进行线性隔离传输和放大处理。

4）因光耦的结构特性，输入、输出侧需要相互隔离且独立供电电源，即需两路无“共地”点的供电电源。

2.1.2 关键性参数

我们以6脚通用光耦4N25为例，如图2-2所示，一次电阻R_S为限流电阻，二次电阻R_L为上拉电阻，I_F、I_O分别表示流过一次侧和二次侧的电流，V_S、V_CC分别表示一次侧和二次侧的电源，V_cm表示一次侧与二次侧地线之间的共模电压。

为方便读者选择光耦器件，现将它们的关键性参数及其含义总结如下：

（1）CTR（电流传输比）：光耦在规定的偏压下，输出电流I_O与输入电流I_F之比。

（2）I_CEO（集电极暗电流）：在标定的集电极电压、负载电阻和温度条件下，在暗环境中所测得的通过集电极的最大电流。

（3）I_FT（输入触发电流）：触发所耦合的晶闸管达到起动而必需的发射器电流。

（4）t_f（光电流下降时间）：在规定的集电极电压、负载电阻和环境温度条件下，将砷化镓（GaAs）脉冲光源移去之后，光感生电流从响应曲线90%点下降到10%点的响应时间。

（5）t_r（光电流上升时间）：在规定的集电极电压、负载电阻及环境温度条件下，在一定的砷化镓脉冲光源变化时，光感生电流从响应曲线的10%点上升到90%点的响应时间。

（6）t_on、t_off分别叫作光电流导通时间和光电流截止时间。

（7）I_F（Forward Current，正向电流）：能够允许的发光二极管正向电流（连续）最大值。当正常工作的发光二极管的电流不超过该值时，一般在25℃时，不会因为功耗而损坏。如TLP521-1的I_F最大值为70mA。

（8）V_F（Forward Voltage，正向电压）：在标定的发光二极管电流和环境温度下，跨接在二极管两端的最大正向压降。V_F和I_F构成发光二极管的功耗。一般温度一定时，I_F越大，V_F越大；I_F一定时，温度越高，V_F越低。

（9）V_ISO（Isolation Voltage，或BV_S，隔离冲击电压）：在规定的条件和时间下，输入端与输出端之间可以承受的交流电压最大值，它表征光耦绝缘介质的耐压能力。一般情况下，只在有限的测试时间内（如1min）才有保证。

（10）V_R（Reverse Voltage，反电压）：在标定温度条件下，能够承受加到器件上的最大DC反电压容许值，即发光二极管所能承受的最大反向电压。超过此电压，发光二极管会有突然增大的反向电流且无法发光，会导致光耦损坏。

（11）V_CE（sat）：在规定的正向电流和集电极电流值下，集电极与发射极之间的饱和压降。

（12）V_（BR）R（反向击穿电压）：在标定的发光二极管电流和环境温度下最小的反向直流击穿电压。

（13）V_CEO（集电极与发射极间电压）：在标定温度下，能够加到器件上的集电极与发射极间的最大电压容许值（基极开路）。

（14）V_（BR）CEO（集电极与发射极间击穿电压）：在标定的集电极电流和环境温度下，集电极与发射极之间的最小直流击穿电压（基极开路）。

（15）V_TM：在三端双向晶闸管输出的光耦中，在输出单元任何一个方向的通态峰值电压。

需要补充说明的是，光耦器件的绝缘耐压用以表征光耦保护相关电路及自身免受高压导致物理损坏的耐受能力。光耦损坏可能由于系统内的高压（比如电机尖峰电压）或者外来瞬时高压（比如雷电脉冲）。光耦的耐压能力主要是由输入输出器件间的绝缘材料和封装方法决定的。由于电气绝缘是确保安全的关键因素，因此，在不同地区和不同行业中，需要酌情选择该参数值。

另外，共模抑制比（CMR），是指在每微秒光耦能容许的最大共模电压上升或者下降速率，其单位为：kV/μs。这个参数在工业应用中至关重要，比如电机起动和制动过程中都会带来极大的共模噪声。在光耦内部，由于发光二极管和受光器之间的耦合电容很小（一般在2pF以内），所以共模输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小，因此共模抑制比都会很高。

读者需特别注意，对于光耦的电流传输比CTR，当作为输出管的工作电压为规定值时，即为输出电流和发光二极管的正向电流之比，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流I_O和直流输入电流I_F的百分比。电流变换比有一定的范围，它与发光二极管驱动电流I_F、环境温度和输出型式都有关系，并且会随着使用时间的增加而有所衰减。举例说明：

1）采用一只光电晶体管，CTR的范围为20%～300%，如PC817就为80%～160%。

2）采用达林顿型光耦器，如4N30，CTR的范围为100%～5000%。

当然，在使用光耦时，还需要关注发光二极管驱动电流I_F及正向压降V_F的问题。采用高效率的发光二极管和高增益的接收放大电路，都可以降低驱动电流I_F的需求。较小的I_F可以降低发光二极管的功耗，并降低发光二极管的衰减（延长它的寿命），从而提高隔离系统的可靠性。发光二极管正向压降V_F，大于普通二极管的正向压降，大约为2V。

表2-1所示为几种典型光耦的驱动电流I_F值。

2.1.3 光耦典型拓扑及其选型方法

市面上常用的光耦包括以下几个主要类别：

1）通用型，如：PS2801-1、PS2801-4、TLP291-4和PC817等。

2）数字逻辑输出型（高速、带输出控制脚），如：6N137及其变种HCPL-06XX系列（如：HCPL-0600、HCPL-0601、HCPL-0611、HCPL-0630、HCPL-0631和CPL0661）等。

3）达林顿输出型，如：4N30、4N33等。

4）推挽输出型（MOSFET、IGBT驱动专用），如：TLP250、HCPL-316J、HCPL-3120和TLP5214A等。

1. 典型拓扑

光耦具有多种不同的拓扑和封装形式，为了方便读者了解，现将它们分别进行介绍。

（1）图2-3所示为4脚封装的典型光耦，其中

1）图2-3a为晶体管输出型光耦（如TLP521-1、ISP321-1、ISP621-1、ISP624-1、PS2501-1、SFH615A-1、SFH617A-1、SFH618-2、TIL191、TLP321、TLP421、TLP621、TLP624、LTV817、PC817、PS2701-1、TLP121）的4脚封装1。

2）图2-3b为晶体管输出型光耦（如H24A1～H24A4、IS357）的4脚封装2。

3）图2-3c为晶体管输出型光耦（如TLP121、TLP181）的4脚封装3。

4）图2-3d为晶体管输出型光耦（如TLP126）的4脚封装4。

5）图2-3e为交流信号输入、晶体管输出型光耦（如ISP620-1、ISP814、PS2505-1、SFH620A-1、SFH628-2、TIL194、TLP620、PC354、PS2705-1）的4脚封装。

6）图2-3f为达林 顿 管 输 出 型光 耦（如ISP815、PS2502-1、TIL197、PC355NT、PS2702-1）的4脚封装。

（2）图2-4所示为6脚封装的典型光耦，其中：

1）图2-4a为晶体管输出类（如4N25、4N26、4N27、4N28、4N35、4N36、4N37、H11A1、H11A2、H11A3、H11A4、H11A5、CNX62A、CNX72A、CNX82A、CNY17-1、 CNY17-2、 CNY17-3、 CNY17-4、 H11AV1、 H11AV2、 H11AV3、H11D1～H11D4、IL2、IS201～IS205）的6脚封装。

2）图2-4b为达林顿管输出类（如4N29、4N30、4N31、4N32、4N33、H11B1、H11B2、H11B3）的6脚封装1。

3）图2-4c为达林顿管输出型6脚光耦（如H11G1、H11G2、H11G3、IS4N45、IS4N46、IS700）的6脚封装2。

4）图2-4d为交流输入、晶体管输出型6脚光耦（如H11AA1、H11AA2、H11AA3、H11AA4、CNY35、IS604）的6脚封装。

5）图2-4e为场效应晶体管对称输出型6脚光耦（如H11F1～H11F3、IS610、IS611）的6脚封装。

6）图2-4f为双向晶闸管非过零型6脚光耦（如H11J1 ～H11J5、IS6003、IS6005、IS6010、IS6015、IS6030、IS607、IS608）的6脚封 装；也 涉及 如MOC3031M、MOC3032M和MOC3033M等具有过零点触发的双向晶闸管型光耦。

7）图2-4g为施密特触发器输出型6脚光耦（如H11L1～H11L4、IS609）的6脚封装。

8）图2-4h为单向晶闸管输出类（如4N40、H11C1～H11C6）的6脚封装。

（3）图2-5所示为8脚封装的典型光耦，其中：

1）图2-5a为晶体管输出类单通道光耦（如6N135、6N136、HCPL-2503、HC-PL-4502）的8脚封装1。

2）图2-5b为晶体管输出类双通道光耦（如HCPL-2530、HCPL-2531）的8脚封装。

3）图2-5c为逻辑器件与晶体管混成输出兼容TTL的单通道光耦（如HCPL-2601、HCPL-2611）的8脚封装。

4）图2-5d为逻辑器件与晶体管混成输出且兼容TTL的双通道光耦（如HCPL-2601、HCPL-2630、HCPL-2631）的8脚封装。

5）图2-5e为达林顿管输出的单通道光耦（如6N138、6N139）的8脚封装。

6）图2-5f为达林顿管输出的双通道光耦（如HCPL-2730、HCPL-2731）的8脚封装。

7）图2-5g为晶体管输出双通道光耦（如ILD1、ILD2、ILD5、ISD201、ISD202、ISD203、 ISD204、 ISD5、 ISD74、 MCT6、 MCT61、 MCT62、 MCT66、PC829）高密度的8脚封装1。

8）图2-5h为晶体管输出双通道光耦（如ISP321-2、ISP827、ISP624-2、ISP621-2、 ISP521-2、 ISP827、 PS2501-2、 TIL192、 TLP321-2、 TLP521-2、 TLP621-2、TLP624-2）高密度的8脚封装2。

9）图2-5i为交流信号输入且双通道晶体管输出光耦（如ISP620-2、ISP824、PS2505-2、TIL195、TLP620-2）的8脚封装。

10）图2-5j为达林顿管输出的双通道光耦（如ISP825、PS2502-2、TIL195、PS2702-2）的8脚封装。

10）图2-5k为双通道常开对称N-MOS晶体管输出光耦（如LAA110）的8脚封装。

11）图2-5l为双通道常开对称P-MOS晶体管输出光耦（如LBB110）的8脚封装。

（4）图2-6所示为16脚封装的典型光耦，其中：

1）图2-6a为晶体管输出类四通道光耦（如ILQ1、ILQ2、ILQ5、ISQ201、ISQ202、ISQ203、ISQ204、ISQ5、ISQ74、PC849）的16脚封装1。

2）图2-6b为晶体管输出类四通道光耦（如ISP321-4、ISP521-4、PS2501-4、TIL193、TLP321-4、TLP521-4、TLP621-4、TLP624-4）的16脚封装2。

3）图2-6c为交流信号输入且四通道晶体管输出光耦（如ISP620-4、ISP621-4、ISP844、PS2505-4、TLP620-4、ISP847、TIL196）的16脚封装。

4）图2-6d为达林顿管输出的四通道光耦（如ISP845、PS2502-4、PS2702-4、TIL199）的16脚封装。

2. 选型方法

根据前面的分析得知，如果按照光耦的输出特性来看，光耦可以分为非线性光耦和线性光耦，其中：

（1）非线性光耦：适合开关（数字量）信号的传输，不适合模拟量传输。

（2）线性光耦：电流传输特性曲线接近直线，且小信号性能较好，如HCPL-7800、HCPL-7840。

光耦的速度单位为Mbit/s，通常标识为MBd，1MBd=1Mbit/s。根据速度可以将光耦分为以下几种：

1）低速型号。10kbit/s及以下；

2）中速型号。100k～1Mbit/s；

3）高速型号。1Mbit/s以上。

根据光耦的特性与类别，主要应用于隔离控制与隔离驱动电路中，具体如下：

（1）隔离控制电路主要涉及的器件有：串行数字总线隔离，如使用6N137可以实现SPI、UART等隔离，如需要还可以增加晶体管；普通I/O数字信号隔离，如使用PC817实现测量板与主控板间普通I/O信号的隔离。

（2）隔离驱动电路，是指使用光耦器件实现隔离和驱动（如驱动继电器、发光体和功率开关管等）的硬件电路，如使用4N33实现主控板与继电器（开关量）板的隔离以及继电器的驱动。

在通信应用中，对于相对较低的数据速率如：125kbit/s、250kbit/s和500kbit/s，对传播延迟要求小于40ns；CAN总线规定了125kbit/s低速和1Mbit/s高速数据速率，但对传播延时没有严格的要求；Profibus发送数据则要求在12Mbit/s以内，并规定了隔离器、收发器和连接本身的总时延。

如前所述，根据封装来看，光耦可以分为双列直插型、TO封装型、扁平封装型、贴片封装型和光纤传输型等；根据通道数，光耦可以分为单通道、双通道和四通道。按照工作电压情况，光耦可以分为低电源电压型光耦（一般为5～15V）、高电源电压型光耦（一般大于30V）；按隔离电压等级可以分为普通隔离型和高压隔离型，即

（1）普通隔离光耦：大多采用光学胶灌封，隔离电压低于kV级；

（2）高压隔离光耦：可分为10kV（有效值）、20kV（有效值）和30kV（有效值）等。

为了方便读者选型，现将不同类型的光耦简单罗列如下：

（1）高速1Mbit/s的典型光耦器件

1）DIP封装：PS9613、PS8501、PS8502、PS9513；

2）SOP（SO-8）封装：PS8802-1（单通道）、PS8802-2（双通道）PS8821-1（单通道）、PS8821-2（双通道）。

（2）超高速10Mbit/s的典型光耦器件

1）DIP封装：PS9617、PS9587；

2）SOP（SO-8）封装：PS9817A-1（单通道）、PS9817A-2（双通道）PS9821-1（单通道）、PS9821-2（双通道）。

（3）超高速15Mbit/s的典型光耦器件

SOP（SO-8）封装：PS9851-1（单通道）、PS9851-2（双通道）。

（4）IGBT、MOSFET驱动用典型光耦器件：

HCPL-3120、HCPL-316J、FOD3120、FOD3150、FOD3180、TLP700、TLP701、TLP701F、TLP702、TLP702F、TLP705、TLP705F、TLP706、TLP706F、TLP250、TLP251、TLP350、TLP351、TLP557、PS9552、PS9552L1、PS9552L2、PS9552L3、ACPL-331J、ACPL-332J、PS9613、PS9513、PS9113、PS9213、TLP102、TLP559。

（5）通用典型光耦器件

TLP280、TLP620、TLP281-4、TLP320、TLP628、TLP629、TLP330、TLP124、TLP126、 TLP137、 TLP624、 TLP626、 TLP331、 TLP332、 TLP531、 TLP532、TLP630、TLP631、TLP632、TLP731、TLP320-2、TLP620-2、TLP626-2、TLP521-4、TLP621-4、TLP624-4、TLP628-4、TLP629-4、TLP320-4、TLP620-4、TLP570、TLP571、TLP572。

在电力电子装置中，光耦已广泛用于电气绝缘、电平变换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及计算机接口中。

图2-7所示为应用于电力电子装置的光耦隔离技术的典型框图。

现将电力电子装置中经常用到的光耦器件及其用途总结如下：

1）常规速度的光耦，常用于控制指令的输入、输出隔离回路，也用于部分反馈状态的隔离回路，即用于开关量信号的隔离与传输。该类光耦结构最为简单，输入侧为发光二极管，如HCPL-4701/-4731/-070A/-073A、FOD8480、4N29M、4N30M、4N33VM和TLP785F。

2）高速光耦，输入侧发光二极管采用了延迟效应低微的新型发光材料，输出侧由门电路和肖基特晶体管构成，使工作性能大为提高。其频率响应速度要比晶体管型光耦高些，在故障检测、触发脉冲的隔离回路中经常得到应用，如ACPL-M61M-000E、TLP2748、TLPN137、HCNW2611-300E、HCPL-0600-560E、HCPL-2601-020E、ACPL-061L-060E、HCPL0601V、HCNW137-000E、6N137、VO2601、VO2611、VO2630、VO2631和VO4661等。

3）应用于IGBT、MOSFET驱动回路中的光耦，驱动能力较大（一般为1000mA级别）、速度较快，也有些型号还具有状态反馈端子，如：HCPL-3140-000E、HCPL-J314-000E、HCPL-3180-300E、HCPL-3120、HCPL-316J、IX3120GS、FOD3180、FOD3125S和TLP351等。

4）线性光耦，如HCPL-7800、ACPL-C87B、ACPL-C87A、ACPL-C870和ACPL-782T-300E等，在电路中主要用于对mV级甚至更微弱的模拟信号进行线性传输，往往用于：

① 输入电流和电压的采样与放大处理；

② DC-LINK回路直流电压和电流的采样与放大处理；

③ 输出电流和电压的采样与放大处理。