这些让人“过目不忘”的光耦，来了解一下？

周五, 23 七月 2021 - 10:25

电子产品设计中，当需要在相互隔离的两个电路系统间传输电信号时，很多人第一想到的方案就是使用光电耦合器（简称“光耦”）。这个诞生于上个世纪60年代的技术，其工作原理是以光作为媒介来传输电信号，通常是将发光器（红外线LED）与受光器（光敏半导体器件）封装在一起，当输入端加载电信号时发光器发出光，受光器受光后产生光电流输出，完成一个“电—光—电”的转换过程。

由于发射端的光信号和接收端的电信号之间互不干扰，因而光耦具有很好的电绝缘能力和抗干扰能力，并且具有体积小、寿命长、无触点、单向传输信号等优点，得到了广泛的应用。

简单地理解，光耦就是由输入侧的LED和输出侧的光电检测器集成在一起而形成的产品，根据光耦输出侧光电检测器的类型以及电路的结构和特性，光耦可以分成以下几类：

1. 晶体管输出型光耦

作为最常见的光耦产品类型，其光电接收器是光敏三极管，输出端为单体或达林顿晶体管，分为直流信号或交流信号控制型，其具有大电流传输比（CTR）、高耐压、低输入电流等特点，且价格低、通用性强，应用十分广泛。不过，其缺点在于传输速度较慢，时序延时较大。

2. IC输出型光耦

这种类型的光耦采用光敏二极管作为光接收元件，同时会内置一个IC做信号放大和整形，可实现高速信号的传输，数据传输速率可达1-50Mbps。IC输出光耦又可以细分为几种不同的类型，包括用于传输逻辑信号的高速光耦，以及作为功率元件（如IGBT）栅极驱动的驱动光耦。

3. 隔离放大器

隔离放大器可以在对模拟信号进行隔离的同时，按照一定的比例进行放大，主要用于高共模电压环境下的小信号测量，并对被测对象和数据采集系统予以隔离，保护电子仪器设备和人身安全。隔离放大器选型时，在满足隔离耐压等级要求的同时，线性度、共模瞬态抗扰度（CMTI）也是要重点考量的参数。

4. 可控硅输出型光耦

可控硅输出型光耦主要用于控制交流负载，包括双向可控硅输出和单向可控硅输出，它们采用了高耐压型可控硅，可以用大约10mA的低电流控制100mA的交流负载，同时提供电气隔离。结合功率可控硅，这种光耦可以控制高达几安培的交流电。

5. 光继电器

这种光耦在输出级配有两个连接共源的MOSFET，可以实现与机械继电器相同的功能，而与机械继电器相比具有长寿命、低电流驱动和快速响应的特点。

从上述的介绍可以看出，光耦的结构并不复杂，但越是这样，想做出具有差异化、让人过目不忘的产品越不容易，如何在光耦这个成熟的产品门类中做出自己的特色产品，十分考验元器件厂商的能力。

接下来，我们就给大家介绍几款来自Toshiba的栅极驱动光耦，它们各具特点，与其他竞品放在一起很有辨识度，看过之后，一定会让你过目不忘。

标准产品系列

Toshiba的标准系列的栅极驱动光耦包括TLP5702、TLP575x、TLP577x多个系列，它们都是由GaAlAs红外LED经光学耦合到一个集成的高增益、高速光电探测器IC构成，目标应用是作为中小型IGBT或功率MOSFET的栅极驱动器，也可应用于家用电器、逆变器和变频器等领域。

图1：Toshiba标准系列栅极驱动光耦框图（图源：Toshiba）

这些系列的光耦一个突出的特点就是“外形小巧”，它们采用6引脚SO6L封装，大约仅为采用8引脚DIP封装光耦尺寸的一半，并且符合国际安全标准的强化隔离要求（最小隔离电压5000Vrms）。

器件内部的法拉第噪声屏蔽提供了最低±20kV/μs（TLP5702）或±35kV/μs（TLP575x和TLP577x）的共模瞬态抗扰度，轨到轨输出保证了稳定的运行和更好的开关性能。TLP577x光电耦合器能够支持2mA低阈值输入电流运行，允许直接从微计算机驱动，而无需缓冲。TLP575x和TLP577x还提供高温型的产品（型号后缀为H），工作温度范围扩展至-40℃至125℃。这些标准型栅极驱动光耦的性能比较，详见表1。

表1：Toshiba标准系列栅极驱动光耦特性比较（资料来源：Toshiba）

简而言之，这些光耦器件为用户提供了一个能够符合产品设计规格和各项行业标准、小型化的解决方案，且产品组合丰富，为广泛的通用型应用提供了理想的解决方案。

智能栅极驱动光耦

如果说，上述的标准型光耦产品是用小型化、极简的设计去满足众多通用应用场景的需求，那么下面这款智能栅极驱动光耦的结构明显更为复杂。TLP5214和TLP5214A是高度集成的、具有4.0A输出电流的光耦，适用于驱动IGBT和功率MOSFET，用于交流电机和无刷直流电机驱动器。其内部包括两个GaAlAs红外LED和两个高增益、高速IC，同时还内置了过电流保护（VCE(sat)检测）、有源米勒钳位等功能，这样的设计在确保IGBT的安全性和可靠性方面十分重要。

图2：TLP5214A和TLP5214智能栅极驱动光耦框图（图源：Toshiba）

我们先来说说VCE(sat)过电流保护检测功能。在IGBT工作时，如果对IGBT施加过电流，集电极-发射极电压（VCE）将升高，这时如果功率过大有可能损坏IGBT。因此，必须在尽可能短的时间内（10μs以内）切断过电流。

VCE(sat)检测电路的“任务”就是监测IGBT的VCE(sat)电压。集电极电压由DESAT引脚监测，当DESAT引脚电压超过6.5V时，则判定为有过电流的情况发生，就会在700ns内执行光耦输出的软关断，与此同时通过图中下部那一组光电转化通道向控制器发送故障信号。通过这样一种安全保障机制，就可以确保IGBT免受过流损坏。

图3：TLP5214A和TLP5214的过电流保护功能（图源：Toshiba）

我们再来说说TLP5214A和TLP5214另一个重要的保护功能——有源米勒钳位。IGBT集电极和栅极之间的寄生米勒电容CCG会在逆变电路中引发开关噪声故障。具体来讲，当逆变器电路中上臂的IGBT导通时，下臂IGBT的VCE会急剧上升，这时位移电流IS=CCG x（dVCG/dt）通过下臂的IGBT的CCG产生，并流向光电耦合器的输出，IGBT的栅极电压因此而升高，并流经RG。由于栅极电压升高，IGBT将错误地导通，从而导致上下臂短路（如图4）。

图4：米勒电容产生电路故障的原理（图源：Toshiba）

解决这一问题的方法通常是使用一个负电源（Negative Power Source）或者调整栅极电阻，但前者的成本较高，后者又会增加开关噪声。另一种防止米勒电容故障的方法是使IGBT的栅极和发射极短路，但这需要额外的外部元件去实现栅极的钳位，无疑会占用更大的电路板面积。

而TLP5214A和TLP5214通过内置有源米勒箝位功能，很好地解决了这个问题。电路设计时，将米勒钳位引脚VCLAMP连接到IGBT的栅极，当光耦的输出由高变低，栅极电压降到大约3V以下时，VCLAMP-VEE之间的MOSFET导通，栅极被钳位于VEE。通过将米勒电流从VCLAMP引脚旁路到发射极，可以抑制栅极电压的上升，从而防止逆变器上下臂短路。

图5：有源米勒钳位工作过程（图源：Toshiba）

除了上述的VCE(sat)检测、有源米勒钳位，TLP5214A和TLP5214还集成了许多其它功能，包括全摆幅电压输出和UVLO（欠电压锁定）功能。UVLO功能是为了防止在低电压下因功率器件驱动不足而引发故障，当电源电压在运行过程中下降并低于UVLO检测电压时，运行停止，直到栅极驱动光耦的电源电压达到UVLO释放电压，这有助于防止功率器件在输入电压启动过程中发生故障，也是不少高性能栅极驱动光耦的标配。

图6中对比了Toshiba的标准型和智能型栅极驱动光耦的主要功能差异。可以看出它们主要的差别就在于上面提到的这些附加的保护功能上，由于增加了这些功能，使得智能栅极驱动器可以用更少的外部组件、更低的成本、更小的PCB尺寸，去满足更复杂的设计需求。

图6：标准型和智能型栅极驱动光耦的区别（图源：Toshiba）

从本文所介绍的几款Toshiba产品中，可以看出栅极驱动光耦差异化的两种思路：一种是在标准产品上挖潜，尽可能将一些关键技术指标做到极致；另一种则是在光耦中集成更多的功能，简化系统设计，为开发者带来更大的便利。无论是那种思路，目的都是一样的，就是要让客户价值最大化。这样的产品，自然会打动人心，令人一见钟情，过目不忘。

文章来源： <a href="https://mp.weixin.qq.com/s/FXF7Iq9cID4MzvzPsvxOlw" id="js_name">贸泽电子</a>