原标题：光耦的原理、可靠性、参数释义及应用介绍

　　一、 光电耦合器原理及组成

　　1.原理光电耦合器，通常简称为光耦。其基本原理是以光作为媒介，来传输电信号。

　　在一些特殊的应用场合，会要求输入/输出端实现电气隔离，这样就不能使用传统的电子器件来传输电信号，光耦正是为了适应这样的场合而诞生。

　　光耦的输入端采用发光二极管，用电信号驱动半导体发光器件发光（通常为红外光），而接收端是光敏管，将接收到的光信号，转换为电信号输出。通过电->光->电的转换，既可以传输信号，又实现了电气隔离的目的。如下图：

　　2.组成

　　为实现电->光转换，需要发光二极管；而光->的转换，则需要光敏管。

　　为消除外界光的干扰，通常是将发送/接收端用不透光的材料封装起来，将输入/输出PIN接出；而为了实现高的电气隔离强度，则要求封装材料有高的绝缘强度。

　　所以通常光耦器件由以下几部分组成：发光二极管、光敏管（通常是光敏三极管）、封装材料、输入/输出PIN。

　　二、影响光耦可靠性的工艺因素通常光耦的工艺流程如下：

　　陶瓷基座制作→厚膜电路制作→芯片(IR LED、PD和ASIC)测试→芯片烧结压焊→中测→耦合对准→装架→封装→检漏→中测→老化筛选→末测。

　　光耦通常采用DIP或SMD封装，实际的工艺流程将红外LED、硅光敏三极管封装起来，并形成输入/输出引脚，这个过程与IC封装类似，不同之处在于其选材及关键工艺控制。

　　根据工艺流程，业界通过对光耦生产中不良品的解剖分析，结合光耦自身特点，总结了一些影响光耦可靠性的工艺因素：

　　1.银胶对可靠性影响装架采用银浆粘片工艺，可以满足芯片有较好欧姆接触，较低正向压降，但不同品牌银胶与各种芯片材料及支架粘结力不同，贮存及使用寿命也相差很多。使用不当会造成芯片与支架粘结不牢影响键合甚至产生掉片。

　　2.手工装架、键合质量对可靠性影响由于红外芯片长宽都只有0.3mm，且材料易碎。所以手工装架容易出现质量问题，所以通常采用自动装架键合机。

　　3.内包封、注塑外包封对可靠性影响

　　光耦在内包封点胶时，针头碰到金丝会在胶体中产生虚焊、断丝、倒丝等不良情况。由于内包封材料弹性好，不良品很难筛选干净，影响产品可靠性。内包封材料与塑封料热匹配差异较大，外包封后两者结合并不十分紧密。由于光耦结构上塑封体与支架粘结部分较小，封装粘模时会使条带变形，由于起模时塑封体内部尚末完全固化，受力后会产生空隙，引起管脚松动，造成内引线在引线框架处拉断虚焊，形成断续性开路。所以选择结合良好的塑封料和引线框架，改进工艺方法杜绝封装时拉断内引线，就可以提高产品密封性和器件稳定性。

　　三、光耦参数释义

　　光耦的技术参数可分为输入特性、输出特性、传输特性、隔离特性等几大部分。

　　3.1 输入特性

　　光耦的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性。常见的参数有：▲正向工作电流If（Forward Current）If是指LED正常发光时所流过的正向电流值。不同的LED，其允许流过的最大电流也会不一样。▲正向脉冲工作电流Ifp（Peak Forward Current）Ifp是指流过LED的正向脉冲电流值。为保证寿命，通常会采用脉冲形式来驱动LED，通常LED规格书中给中的Ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电流来计算的。▲正向工作电压Vf（Forward Voltage）Vf是指在给定的工作电流下，LED本身的压降。常见的小功率LED通常以If=20mA来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也会不一样。▲反向电压Vr（Reverse Voltage ）是指LED所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED。在使用交流脉冲驱动LED时，要特别注意不要超过反向电压。▲反向电流Ir（Reverse Current）通常指在最大反向电压情况下，流过LED的反向电流。▲允许功耗Pd（Maximum Power Dissipation）LED所能承受的最大功耗值。超过此功耗，可能会损坏LED。▲中心波长λp（Peak Wave Length）是指LED所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色，对于双色或多色LED，会有几个不同的中心波长值。

　　3.2 输出特性

　　光耦的输入特性实际也就是其内部光敏三极管的特性，与普通的三极管类似。常见的参数有：

　　▲集电极电流Ic（Collector Current）

　　光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。

　　▲集电极-发射极电压Vceo（C-E Voltage）

　　集电极-发射极所能承受的电压。

　　▲发射极-集电极电压Veco（E-C Voltage）

　　发射极-集电极所能承受的电压

　　▲反向截止电流Iceo

　　发光二极管开路，集电极至发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流为反向截止电流。

　　▲C-E饱和电压Vcd(sat)（C-E Saturation Voltage）

　　发光二极管工作电流IF和集电极电流IC为规定值时，并保持IC/IF≤CTRmin时（CTRmin在被测管技术条件中规定）集电极与发射极之间的电压降。

　　3.3传输特性：

　　▲上升时间Tr（Rise Time）& 下降时间Tf（Fall Time）

　　光耦合器在规定工作条件下，发光二极管输入规定电流IFP的脉冲波，输出端管则输出相应的脉冲波，从输出脉冲前沿幅度的10%到90%，所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%，所需时间为脉冲下降时间tf。

　　▲电流传输比CTR（Current Transfer Radio）

　　输出管的工作电压为规定值时，输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比CTR。

　　3.4  隔离特性

　　▲ 入出间隔离电容Cio（Isolation Capacitance）：

　　光耦合器件输入端和输出端之间的电容值

　　▲ 入出间隔离电阻Rio：（Isolation Resistance）

　　半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值

　　▲ 入出间隔离电压Vio（Isolation Voltage）

　　光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值

　　在光耦电路设计中，有两个参数常常被人忽视，需要格外注意

　　一个是反向电压Vr（ReverseVoltage），是指原边发光二极管所能承受的最大反向电压，超过此反向电压，可能会损坏LED，而一般光耦中，这个参数只有5V左右，在存在反压或振荡的条件下使用时，要特别注意不要超过反向电压。如，在使用交流脉冲驱动LED时，需要增加保护电路。

　　另外一个参数是光耦的电流传输比（currenttransferratio ，简称CTR），是指在直流工作条件下，光耦的输出电流与输入电流之间的比值。光耦的CTR类似于三极管的电流放大倍数，是光耦的一个极为重要的参数，它取决于光耦的輸入电流和输出电流值及电耦的电源电压值，这几个参数共同决定了光耦工作在放大状态还是开关状态，其计算方法与三极管工作状态计算方法类似。若输入电流、输出电流、电流传输比设计搭配不合理，可能导致电路不能工作在预想的工作状态。

　　除上述两个参数外，光耦还有几个参数是比较重要的，如

　　1）正向工作电压V（ForwardVoltage）， V是指在给定的工作电流下， LED本身的压降。常见的小功率LED通常以1—10mA来测试正向工作电压，当然不同的LED，测试条件和测试结果也会不一样。

　　2）集电极电流lc（CollectorCurrent）光敏三极管集电极所流过的电流，通常表示其最大值。3）C—E饱和电压Vce（sat）（C—ESaturationVoltage），即光敏三极管的集电极—发射极饱和压降

　　4）上升时间Tr（RiseTime）&下降时间T（FallTime），它们反映了工作在开关状态的光耦，其开关速度情况。

　　四、光耦的分类和常用类型

　　由于光电耦合器的品种和类型非常多，在光电子DATA手册中，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类：

　　(1) 按光路径分，可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。

　　(2) 按输出形式分，可分为：

　　a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。

　　b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。

　　c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。

　　d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。

　　e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。

　　f、光开关输出型（导通电阻小余10Ω）。

　　g、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。

　　　(3) 按封装形式分，可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，以及光纤传输型等。

　　　(4) 按传输信号分，可分为数字型光电耦合器（OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路输出型等）和线性光电耦合器（可分为低漂移型，高线性型，宽带型，单电源型，双电源型等）。

　　　(5) 按速度分，可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。

　　(6) 按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。

　　　(7) 按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV,20kV,30kV等）。

　　　(8) 按工作电压分，可分为低电源电压型光电耦合器（一般5～15V）和高电源电压型光电耦合器（一般大于30V）。

　　◆晶体管输出型光耦，是最常见的光耦，输入端分为直流信号或交流信号控制型，输出端都是晶体管（单体或达林顿---具有更高的电流传输比）。这种类型的光耦凭借其价格低和通用性特点广泛使用于各种应用。晶体管输出光耦的特点是：大电流传输比（CTR）、高耐压、低输入电流。因为这类光耦，光电接收器使用的是光敏三极管，所以缺点也是明显的：传输速度较慢，时序延时较大。

　　◆高速IC输出型光耦，这种光耦采用光敏二极管(Photo-Diode)作为光接收元件，同时内部带有一个集成电路（IC）做信号放大和整形，可实现高速信号的传输。相比于前面晶体管输出光耦只能提供最高几kHz的信号传输，此类光耦能提供1至50Mbps速率的数据传输。IC输出光耦有两种类型：一种是设计用于传输逻辑信号的通用器件，另一种是具有特殊功能的器件，包括用于功率元件，比如IGBT等的栅极驱动器。

　　◆可控硅输出型光耦，既有双向可控硅输出，也有单向可控硅输出。该类型的光耦主要用于控制交流负载，比如直接连接到家庭、办公室和工厂中采用100或200Vrms商业电源的电机和电磁阀。它们采用了高耐压型可控硅，可以打开和关闭输入电流低至10mA的交流负载，同时提供电气隔离。虽然单一的可控硅光耦只能控制最高100mA左右的交流电，但它可以结合使用一个功率可控硅，以便控制高达几安培的交流电。

　　◆光继电器，这种光继电器是指含有一个MOSFET光耦合LED的光耦。光继电器相比机械继电器而言具有许多优点，比如更长的使用寿命、低电流驱动和快速响应，广泛应用于半导体测试系统、安保系统等的接触开关。

　　五、光耦的选型

　　在设计光耦光电隔离电路时，必须正确选择光耦合器的型号及参数，选取原则如下：

　　（1）根据功能的需要，选择不同的光耦类型，比如：如果是数据通信用，那应该用高速IC输出型光耦；而控制大电流的继电器或灯泡，应该用光继电器或可控硅继电器。

　　（2）由于光电耦合器为信号单向传输器件，而电路中数据的传输是双向的，电路板的尺寸要求一定，结合电路设计的实际要求，就要选择单芯片集成多路光耦的器件；

　　（3）光耦合器的电流传输比（CTR）的允许范围是不小于50%。因为当CTR<50%时，光耦中的led就需要较大的工作电流（>5.0 mA），才能保证信号在长线传输中不发生错误，这会增大光耦的功耗；

　　（4）光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一，光耦开关速度过慢，无法对输入电平做出正确反应，会影响电路的正常工作。

　　在开关电源中，利用线性光耦可构成电压反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫兹的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。