2 什么是光耦合器？

光耦合器是一种隔离器件，其中包含一个发光元件和一个光敏元件，用于传输信号，同时阻断它们之间的接地电位差 (GPD)。发光元件通常是发光二极管 (LED)，而光敏元件通常是光晶体管或光电二极管。

为了使光耦合器实现信号隔离，其内部的 LED 和光晶体管（或光电二极管）通过距离和绝缘材料进行物理隔离。这里的绝缘材料可以是环氧树脂或模塑化合物，也可以只是空气间隙：这三种材料都具有相对较低的介电强度属性，可实现电压绝缘。图 2-1 展示了光耦合器的横截面图：

图 2-1 光耦合器横截面

随着时间的推移，通过光耦合器的信号传输性能会因 LED 的老化以及所用半透明隔离材料的浑浊或泛黄而降低。随着 LED 老化变暗或环氧树脂老化发黄，透射光线的强度会逐渐减弱；因此，需要更大的电流来驱动 LED 输入，以达到光耦合器为新时的亮度。如果系统设计人员不对这种信号传输衰减进行补偿，光耦合器将输入信号传输到隔离输出的能力最终会达到临界点，甚至完全失效。为了应对这个问题，除了要考虑数据表规格外，大多数光耦合器还要求设计中包括一个输入电流保护带，以便 LED 能够在整个使用寿命内更好地传输信号。这种额外的输入电流会导致光耦合器和整个系统从设计的一开始就产生更高且可能不必要的功耗。

在正常运行期间，隔离器件任一侧的高压摆率或高频瞬变都可能会破坏通过隔离栅进行的数据传输。共模瞬态抗扰度 (CMTI) 是两个隔离电路之间所施加共模电压的最大容许上升或下降速率，通常以 dv/dt 来测量，单位通常为 kV/μs 或 V/ns。CMTI 是一个关键的信号完整性参数，与所有隔离信号器件的隔离信号鲁棒性相关，而隔离信号器件会受到两个单独接地基准之间的差分电压影响。随着新一代功率半导体器件的不断进步并得到采用，客户终端设备和应用需要更快的开关频率和更高的幅度。大多数高速数字光耦合器的 CMTI 规格最大值为 25kV/μs。由于 CMTI 最大值如此之低，因此在接地层之间的快速共模瞬变期间，例如在电源或逆变器应用中的晶体管开关期间，数字光耦合器的输出信号中会出现毛刺。由于这一原因，光耦合器通常不用于需要快速开关高密度电源应用的场合。

许多常用的光耦合器以其二极管输入和晶体管输出特性而闻名，使用这些光耦合器时，输出晶体管灌入的电流与流经输入 LED 的电流成正比。用于量化此属性的参数称为电流传输比 (CTR)，定义为通过晶体管的输出电流 (I_C) 与通过输入 LED 的输入电流 (I_F) 之比，以百分比表示。随着时间和温度的变化，大多数光耦合器的 CTR 值可能会发生显著变化。与 LED 老化的情况类似，这意味着为了确保足够高的输出驱动强度来实现正确的信号传输，系统设计人员必须考虑最坏情况下的变化并相应地增加输入正向电流。这也会导致光耦合器出现不想要甚至可能是不必要的功耗。