几种常用的光耦反馈电路应用

在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单、低成本的方式。但对于光耦反馈的各种连接方式及其区别，目前尚未见到比较深入的研究。而且在很多场合下，由于对光耦的工作原理理解不够深入，光耦接法混乱，往往导致电路不能正常工作。本研究将详细分析光耦工作原理，并针对光耦反馈的几种典型接法加以对比研究。

1 常见的几种连接方式及其工作原理

常用于反馈的光耦型号有TLP521、PC817等。这里以TLP521为例，介绍这类光耦的特性。

TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If 越大，光强越强，副边三极管的电流Ic 越大。副边三极管电流Ic 与原边二极管电流If 的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。作反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外，使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。

通常选择TL431结合TLP521进行反馈。这时，TL431的工作原理相当于一个内部基准为2.5 V 的电压误差放大器，所以在其1脚与3脚之间，要接补偿网络。

常见的光耦反馈第1种接法，如图1所示。图中，Vo 为输出电压，Vd 为芯片的供电电压。com 信号接芯片的误差放大器输出脚，或者把PWM 芯片(如UC3525) 的内部电压误差放大器接成同相放大器形式，com 信号则接到其对应的同相端引脚。注意左边的地为输出电压地，右边的地为芯片供电电压地，两者之间用光耦隔离。

图1所示接法的工作原理如下：当输出电压升高时，TL431的1脚(相当于电压误差放大器的反向输入端) 电压上升，3脚(相当于电压误差放大器的输出脚) 电压下降，光耦TLP 521的原边电流If 增大，光耦的另一端输出电流Ic 增大，电阻R4上的电压降增大，com 引脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压降低时，调节过程类似。 常见的第2种接法，如图2所示。与第1种接法不同的是，该接法中光耦的第4脚直接接到芯片的误差放大器输出端，而芯片内部的电压误差放大器必须接成同相端电位高于反相端电位的形式，利用运放的一种特性—— 当运放输出电流过大(超过运放电流输出能力) 时，运放的输出电压值将下降，输出电流越大，输出电压下降越多。因此，采用这种接法的电路，一定要把PWM 芯片的误差放大器的两个输入引脚接到固定电位上，且必须是同向端电位高于反向端电位，使误差放大器初始输出电压为高。

图2所示接法的工作原理是：当输出电压升高时，原边电流If 增大，输出电流Ic 增大，由于Ic 已经超过了电压误差放大器的电流输出能力，com 脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压下降时，调节过程类似。

常见的第3种接法，如图3所示。与图1基本相似，不同之处在于图3中多了一个电阻R6，该电阻的作用是对TL431额外注入一个电流，避免TL431因注入电流过小而不能正常工作。实际上如适当选取电阻值R3，电阻R6可以省略。调节过程基本上同图1接法一致。

常见的第4种接法，如图4所示。该接法与第2种接法类似，区别在于com 端与光耦第4脚之间多接了一个电阻R4，其作用与第3种接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。

2 各种接法的比较

在比较之前，需要对实际的光耦TLP521的几个特性曲线作一下分析。首先是Ic-Vce 曲线，如图5，图6所示。

由图5、图6可知，当If 小于5 mA 时，If 的微小变化都将引起Ic 与Vce 的剧烈变化，光耦的输出特性曲线平缓。这时如果将光耦作为电源反馈网络的一部分，其传递函数增益非常大。对于整个系统来说，一个非常高的增益容易引起系统不稳定，所以将光耦的静态工作点设置在电流If 小于5 mA 是不恰当的，设置为5～10 mA 较恰当。

此外，还需要分析光耦的Ic-If 曲线，如图7所示。

由图7可以看出，在电流If 小于10 mA 时，Ic-If 基本不变，而在电流If 大于10 mA 之后，光耦开始趋向饱和，Ic-If 的值随着If 的增大而减小。对于一个电源系统来说，如果环路的增益是变化的，则将可能导致不稳定，所以将静态工作点设置在If 过大处(从而输出特性容易饱和) ，也是不合理的。需要说明的是，Ic-If 曲线是随温度变化的，但是温度变化所影响的是在某一固定If 值下的Ic 值，对Ic-If 比值基本无影响，曲线形状仍然同图7，只是温度升高，曲线整体下移，这个特性从Ic-Ta 曲线(如图8所示) 中可以看出。

由图8可以看出，在If 大于5 mA 时，Ic-Ta 曲线基本上是互相平行的

根据上述分析，以下针对不同的典型接法，对比其特性以及适用范围。本研究以实际的隔离半桥辅助电源及反激式电源为例说明。

第1种接法中，接到电压误差放大器输出端的电压是外部电压经电阻R4降压之后得到，不受电压误差放大器电流输出能力影响，光耦的工作点选取可以通过其外接电阻随意调节。 按照前面的分析，令电流If 的静态工作点值大约为10 mA ，对应的光耦工作温度在0～100℃变化，值在20～15 mA 之间。一般PWM 芯片的三角波幅值大小不超过3 V ，由此选定电阻R4的大小为670Ω，并同时确定TL431的3脚电压的静态工作点值为12 V ，那么可以选定电阻R3的值为560Ω。电阻R1与R2的值容易选取，这里取为27 k 与4. 7 k 。电阻R5与电容C1为PI 补偿，这里取为3 k 与10 nF 。

实验中，半桥辅助电源输出负载为控制板上的各类控制芯片，加上多路输出中各路的死负载，最后的实际功率大约为30 w 。实际测得的光耦4脚电压(此电压与芯片三角波相比较，从而决定驱动占空比) 波形，如图9所示。对应的驱动信号波形，如图10所示。 图10的驱动波形有负电压部分，是由于上、下管的驱动绕在一个驱动磁环上的缘故。可以看出，驱动信号的占空比比较大，大约为0.7。

对于第2种接法，一般芯片内部的电压误差放大器，其最大电流输出能力为3 mA 左右，超过这个电流值，误差放大器输出的最高电压将下降。所以，该接法中，如果电源稳态占空比较大，那么电流Ic 比较小，其值可能仅略大于3 mA ，对应图7，Ib 为2 mA 左右。由图6可知，Ib 值较小时，微小的Ib 变化将引起Ic 剧烈变化，光耦的增益非常大，这将导致闭环网络不容易稳定。而如果电源稳态占空比比较小，光耦的4脚电压比较小，对应电压误差放大器的输出电流较大，也就是Ic 比较大(远大于3 mA) ，则对应的Ib 也比较大，同样对应于图6，当Ib 值较大时，对应的光耦增益比较适中，闭环网络比较容易稳定。 同样，对于上面的半桥辅助电源电路，用接法2代替接法1，闭环不稳定，用示波器观察光耦4脚电压波形，有明显的振荡。光耦的4脚输出电压(对应于UC3525的误差放大器输出脚电压) ，波形如图11所示，可发现明显的振荡。这是由于这个半桥电源稳态占空比比较大，按接法2则光耦增益大，系统不稳定而出现振荡。

实际上，第2种接法在反激电路中比较常见，这是由于反激电路一般都出于效率考虑，电路通常工作于断续模式，驱动占空比比较小，对应光耦电流Ic 比较大，参考以上分析可知，闭环环路也比较容易稳定。

以下是另外一个实验反激电路，工作在断续模式，实际测得其光耦4脚电压波形，如图

12所示。实际测得的驱动信号波形，如图13所示，占空比约为0.2。

因此，在光耦反馈设计中，除了要根据光耦的特性参数来设置其外围参数外，还应该知道，不同占空比下对反馈方式的选取也是有限制的。反馈方式1、3适用于任何占空比情况，而反馈方式2、4比较适合于在占空比比较小的场合使用。

3 结束语

本研究列举了4种典型光耦反馈接法，分析了各种接法下光耦反馈的原理以及各种限制因素，对比了各种接法的不同点。通过实际半桥和反激电路测试，验证了电路工作的占空比对反馈方式选取的限制。最后对光耦反馈进行总结，对今后的光耦反馈设计具有一定的参考价值

6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd) ，5mA 的极小输入电流。

特性：

①转换速率高达10MBit/s;

②摆率高达10kV/us;

③扇出系数为8;

④逻辑电平输出;

⑤集电极开路输出;

工作参数：

最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高) ：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载) ：8个(最多) 工作温度范围：-40°C to +85°C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等

6N137光耦合器的内部结构、管脚如图1所示。

6N137光耦合器的真值如表1所示：

需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管脚旁应有—个0.1uF 的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电容器，如陶瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。

6N137光耦合器的使用需要注意两点：第一是6N137光耦合器的第6脚Vo 输出电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻；第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED ，必须串接一个限流电阻。

6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd) ，5mA 的极小输入电流。

特性：

①转换速率高达10MBit/s;

②摆率高达10kV/us;

③扇出系数为8;

④逻辑电平输出;

⑤集电极开路输出;

工作参数：

最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高) ：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载) ：8个(最多) 工作温度范围：-40°C to +85°C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等

6N137光耦合器的内部结构、管脚如图1所示。

6N137光耦合器的真值如表1所示：

需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管脚旁应有—个0.1uF 的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电容器，如陶瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。

6N137光耦合器的使用需要注意两点：第一是6N137光耦合器的第6脚Vo 输出电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻；第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED ，必须串接一个限流电阻。

6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd) ，5mA 的极小输入电流。

特性：

①转换速率高达10MBit/s;

②摆率高达10kV/us;

③扇出系数为8;

④逻辑电平输出;

⑤集电极开路输出;

工作参数：

最大输入电流，低电平：250uA

最大输入电流，高电平：15mA

最大允许低电平电压(输出高) ：0.8v

最大允许高电平电压：Vcc

最大电源电压、输出：5.5V

扇出(TTL负载) ：8个(最多)

工作温度范围：-40°C to +85°C

典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等

6N137光耦合器的内部结构、管脚如图1所示。

6N137光耦合器的真值如表1所示：

6N137光耦合器的真值表

输入 使能 输出

H H L

L H H

H L H

L L H

H NC L

L NC H

需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管脚旁应有—个0.1uF 的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电容器，如陶瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。

6N137光耦合器的使用需要注意两点：第一是6N137光耦合器的第6脚Vo 输出电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻；第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED ，必须串接一个限流电阻。

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一、6N137原理及典型用法

6N137的结构原理如图1所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。

简单的原理如图2所示，若以脚2为输入，脚3接地，则真值表如附表所列，这相当于非门的传输，若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从脚3输入，脚2接高电平。

6N137真值表 输入 使能 输出

H H L

L H H

H L H

L L H

隔离器使用方法如图2所示，假设输入端属于模块I ，输出端属于模块II 。输入端有A 、B 两种接法，分别得到反相或同相逻辑传输，其中RF 为限流电阻。发光二极管正向电流0-250uA ，光敏管不导通；发光二极管正向压降1.2-1.7V ，正向电流6.5-15mA ，光敏管导通。若以B 方法连接，TTL 电平输入，Vcc 为5V 时，RF 可选500Ω左右。如果不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大对Vcc1有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相当大的尖峰脉冲噪声，而通常印刷电路板的分布电感会使地线吸收不了这种噪声，其峰-峰值可达100mV 以上，足以使模拟电路产生自激，A/D不能正常工作。所以在可能的情况下，RF 应尽量取大。

输出端由模块II 供电，Vcc2=4.5-5.5V。在Vcc2（脚8）和地（脚5）之间必须接一个0.1uF 高频特性良好的电容，如瓷介质或钽电容，而且应尽量放在脚5和脚8附近。这个电容可以吸收电源线上的纹波，又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电源的冲击。脚7是使能端，当它在0-0.8V 时强制输出为高（开路）；当它在2.0V-Vcc2时允许接收端工作，见附表。

脚6是集电极开路输出端，通常加上拉电阻RL 。虽然输出低电平时可吸收电路达13mA ，但仍应当根据后级输入电路的需要选择阻值。因为电阻太小会使6N137耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。一般可选4.7kΩ，若后级是TTL 输入电路，且只有1到2个负载，则用47kΩ或15kΩ也行。CL 是输出负载的等效电容，它和RL 影响器件的响应时间，当RL=350Ω，CL=15pF时，响应延迟为48-75ns 。注意：6N137不应使用太多，因为它的输入电容有60pF ，若过多使用会降低高速电路的性能。情况允许时，可考虑把并行传输的数据串行化，由一个光电隔离器传送。

二 6N137应用实例

信号采集系统通常是模拟电路和数字电路的混合体，其中模数变换是不可缺少的。从信号通路来说，AD 变换之前是模拟电路，之后是数字电路。模拟电路和AD 变换电路决定了系统的信噪比，而这是评价采集系统优劣的关键参数。为了提高信噪比，通常要想办法抑制系统中噪声对模拟和AD 电路的干扰。在各种噪声当中，由数字电路产生并串入模拟及AD 电路的噪声普遍存在且较难克服。数字电平上下跳变时集成电路耗电发生突变，引起电源产生毛刺，通常对开关电源影响比线性电源大，因为开关电源在开关周期内不能响应电流突变，而仅由电容提供电流的变化部分。一般数字电路越复杂，数据速率越高，累积的电流跳变越强烈，高频分量越丰富。而普通印刷电路的分布电感较大，使地线不能完全吸收逻辑电平跳变产生的电流高频分量，产生电压的毛刺，而这种毛刺进入地线后就不能靠旁路电容吸收了，而且会通过共同的地线或穿过变压器，干扰模拟电路和AD 转换器，其幅度可高达几百毫伏，足以使AD 工作不正常。

本所研制的机载三通道红外成像扫描仪的数据采集系统，要求信噪比1000，12位量化级别，并行数据传输，数据传输率500KB/s。要达到上述要求，AD 能否达到转换精度是个关键。在未采用光电隔离器的电路中，虽采取了一系列措施，但因各模块间地线相连，数字电路中尖峰噪声影响仍很大，系统信噪比仅达500. 故我们采用6N137将模拟电路及AD 变换器和数字电路彻底隔离，电路如图3所示。

电源部分由隔离变压器隔离，减少电网中的噪声影响，数字电源和模拟电源不共地，由于模拟电路一般只有±15V ，而AD 转换器还需要+5V电源，为使数字电路与模拟电路真正隔离，+5V电源由+15V模拟电源经DC-DC 变换器得到。模拟电路以及AD 转换电路与数字电路的信号联系都通过6N137。逐次比较型AD 并行输出12位数据，每一路信号经缓存器后送入6N137的脚3，进行同相逻辑传输至数字电路，输入端限流电阻选用470Ω，输出端上拉电阻选用47kΩ，输出端电源和地间（即6N137的脚8与脚5间）接0.1uF 瓷片电容，作为旁路电容以减少对电源的干扰，6N137的使能端接选通信号，使6N137在数据有效时才工作，减少工作电流。模拟电路和AD 转换所需的各路控制信号也通过6N137接收，接法同上，在时序设计中要特别注意6N137约有50ns 的延时，与未采用光电隔离器的数据采集电路相比，系统信噪比提高了一倍以上，满足了系统设计要求。

高速光电耦合器6N137原理与应用

星期三, 一月 14, 2009 19:59

MAJI 发布： 日志分类 电气|科技

高速光电耦合器6N137 由磷砷化镓发光二极管和光敏集成检测电路组成。通过光敏二极管接收信号并经内部高增益线性放大器把信号放大后, 由集电极开路门输出。6N137引脚图和内部结构图如图1和图2所示。该光电器件高、低电平传输延迟时间短, 典型值仅为45ns ,已接近TTL 电路传输延迟时间的水平。具有10Mbps 的高速性能，因而在传输速度上完全能够满足隔离总线的要求。内部噪声防护装置提供了典型10kV/μs 的共模抑制功能。除此之外, 6N137 还具有一个控制端, 通过对该端的控制, 可使光耦输出端呈现高阻状态。

1:N.C.；2:Anode（阳极）；3:Cathode（阴极）；4:N.C.；5:GND；6:Output(Open collector 开路集电极) ；7:Enable（使能端）；8:VCC

6N137的内部结构原理如图3所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。

简单的原理如图1所示，若以脚2为输入，脚3接地，则真值表如附表2所列，这相当于非门的传输，若希望在传输过程中不改变逻辑状态，则从脚3输入，脚2接高电平。

隔离器6N137典型应用如图3所示，假设输入端属于模块I ，输出端属于模块II 。输入端有A 、B 两种接法，分别得到反相或同相逻辑传输，其中RF 为限流电阻。发光二极管正向电流0-250μA ，光敏管不导通；发光二极管正向压降1.2-1.7V （典型1.4V ），正向电流6.3-15mA ，光敏管导通。若以B 方法连接，TTL 电平输入，Vcc 为5V 时，RF 可选500Ω左右。如果不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大对Vcc1有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相当大的尖峰脉冲噪声，而通常印刷电路板的分布电感会使地线吸收不了这种噪声，其峰-峰值可达

100mV 以上，足以使模拟电路产生自激。所以在可能的情况下，RF 应尽量取大。

输出端由模块II 供电，Vcc2=4.5～5.5V 。在Vcc2（脚8）和地（脚

5）之间必须接一个0.1μF 高频特性良好的电容，如瓷介质或钽电容，而且应尽量放在脚5和脚8附近（不要超过1cm ）。这个电容可以吸收电源线上的纹波，又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电源的冲击。脚7是使能端，当它在0-0.8V 时强制输出为高（开路）；当它在2.0V-Vcc2时允许接收端工作，见真值表2。

脚6是集电极开路输出端，通常加上拉电阻RL 。虽然输出低电平时可吸收电路达13mA ，但仍应当根据后级输入电路的需要选择阻值。因为电阻太小会使6N137耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。一般可选4.7k Ω，若后级是TTL 输入电路，且只有1到2个负载，则用47k Ω或15k Ω也行。CL 是输出负载的等效电容，它和RL 影响器件的响应时间，当RL=350Ω，CL=15pF时，响应延迟为25-75ns