這些讓人“過目不忘”的光耦,來了解一下?
發(fā)布時(shí)間:2021-08-01 來源:貿(mào)澤電子 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,當(dāng)需要在相互隔離的兩個(gè)電路系統(tǒng)間傳輸電信號時(shí),很多人第一想到的方案就是使用光電耦合器(簡稱“光耦”)。這個(gè)誕生于上個(gè)世紀(jì)60年代的技術(shù),其工作原理是以光作為媒介來傳輸電信號,通常是將發(fā)光器(紅外線LED)與受光器(光敏半導(dǎo)體器件)封裝在一起,當(dāng)輸入端加載電信號時(shí)發(fā)光器發(fā)出光,受光器受光后產(chǎn)生光電流輸出,完成一個(gè)“電—光—電”的轉(zhuǎn)換過程。
由于發(fā)射端的光信號和接收端的電信號之間互不干擾,因而光耦具有很好的電絕緣能力和抗干擾能力,并且具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)、單向傳輸信號等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。
簡單地理解,光耦就是由輸入側(cè)的LED和輸出側(cè)的光電檢測器集成在一起而形成的產(chǎn)品,根據(jù)光耦輸出側(cè)光電檢測器的類型以及電路的結(jié)構(gòu)和特性,光耦可以分成以下幾類:
1 晶體管輸出型光耦
作為最常見的光耦產(chǎn)品類型,其光電接收器是光敏三極管,輸出端為單體或達(dá)林頓晶體管,分為直流信號或交流信號控制型,其具有大電流傳輸比(CTR)、高耐壓、低輸入電流等特點(diǎn),且價(jià)格低、通用性強(qiáng),應(yīng)用十分廣泛。不過,其缺點(diǎn)在于傳輸速度較慢,時(shí)序延時(shí)較大。
2 IC輸出型光耦
這種類型的光耦采用光敏二極管作為光接收元件,同時(shí)會內(nèi)置一個(gè)IC做信號放大和整形,可實(shí)現(xiàn)高速信號的傳輸,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1-50Mbps。IC輸出光耦又可以細(xì)分為幾種不同的類型,包括用于傳輸邏輯信號的高速光耦,以及作為功率元件(如IGBT)柵極驅(qū)動的驅(qū)動光耦。
3 隔離放大器
隔離放大器可以在對模擬信號進(jìn)行隔離的同時(shí),按照一定的比例進(jìn)行放大,主要用于高共模電壓環(huán)境下的小信號測量,并對被測對象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離,保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全。隔離放大器選型時(shí),在滿足隔離耐壓等級要求的同時(shí),線性度、共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)也是要重點(diǎn)考量的參數(shù)。
4 可控硅輸出型光耦
可控硅輸出型光耦主要用于控制交流負(fù)載,包括雙向可控硅輸出和單向可控硅輸出,它們采用了高耐壓型可控硅,可以用大約10mA的低電流控制100mA的交流負(fù)載,同時(shí)提供電氣隔離。結(jié)合功率可控硅,這種光耦可以控制高達(dá)幾安培的交流電。
5 光繼電器
這種光耦在輸出級配有兩個(gè)連接共源的MOSFET,可以實(shí)現(xiàn)與機(jī)械繼電器相同的功能,而與機(jī)械繼電器相比具有長壽命、低電流驅(qū)動和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。
從上述的介紹可以看出,光耦的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜,但越是這樣,想做出具有差異化、讓人過目不忘的產(chǎn)品越不容易,如何在光耦這個(gè)成熟的產(chǎn)品門類中做出自己的特色產(chǎn)品,十分考驗(yàn)元器件廠商的能力。
接下來,我們就給大家介紹幾款來自Toshiba的柵極驅(qū)動光耦,它們各具特點(diǎn),與其他競品放在一起很有辨識度,看過之后,一定會讓你過目不忘。
標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品系列
Toshiba的標(biāo)準(zhǔn)系列的柵極驅(qū)動光耦包括TLP5702、TLP575x、TLP577x多個(gè)系列,它們都是由GaAlAs紅外LED經(jīng)光學(xué)耦合到一個(gè)集成的高增益、高速光電探測器IC構(gòu)成,目標(biāo)應(yīng)用是作為中小型IGBT或功率MOSFET的柵極驅(qū)動器,也可應(yīng)用于家用電器、逆變器和變頻器等領(lǐng)域。
圖1:Toshiba標(biāo)準(zhǔn)系列柵極驅(qū)動光耦框圖
(圖源:Toshiba)
這些系列的光耦一個(gè)突出的特點(diǎn)就是“外形小巧”,它們采用6引腳SO6L封裝,大約僅為采用8引腳DIP封裝光耦尺寸的一半,并且符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)化隔離要求(最小隔離電壓5000Vrms)。
器件內(nèi)部的法拉第噪聲屏蔽提供了最低±20kV/μs(TLP5702)或±35kV/μs(TLP575x和TLP577x)的共模瞬態(tài)抗擾度,軌到軌輸出保證了穩(wěn)定的運(yùn)行和更好的開關(guān)性能。TLP577x光電耦合器能夠支持2mA低閾值輸入電流運(yùn)行,允許直接從微計(jì)算機(jī)驅(qū)動,而無需緩沖。
TLP575x和TLP577x還提供高溫型的產(chǎn)品(型號后綴為H),工作溫度范圍擴(kuò)展至-40℃至125℃。這些標(biāo)準(zhǔn)型柵極驅(qū)動光耦的性能比較,詳見表1。
表1:Toshiba標(biāo)準(zhǔn)系列柵極驅(qū)動光耦特性比較
(資料來源:Toshiba)
簡而言之,這些光耦器件為用戶提供了一個(gè)能夠符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格和各項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、小型化的解決方案,且產(chǎn)品組合豐富,為廣泛的通用型應(yīng)用提供了理想的解決方案。
智能柵極驅(qū)動光耦
如果說,上述的標(biāo)準(zhǔn)型光耦產(chǎn)品是用小型化、極簡的設(shè)計(jì)去滿足眾多通用應(yīng)用場景的需求,那么下面這款智能柵極驅(qū)動光耦的結(jié)構(gòu)明顯更為復(fù)雜。TLP5214和TLP5214A是高度集成的、具有4.0A輸出電流的光耦,適用于驅(qū)動IGBT和功率MOSFET,用于交流電機(jī)和無刷直流電機(jī)驅(qū)動器。其內(nèi)部包括兩個(gè)GaAlAs紅外LED和兩個(gè)高增益、高速IC,同時(shí)還內(nèi)置了過電流保護(hù)(VCE(sat)檢測)、有源米勒鉗位等功能,這樣的設(shè)計(jì)在確保IGBT的安全性和可靠性方面十分重要。
圖2:TLP5214A和TLP5214智能柵極驅(qū)動光耦框圖
(圖源:Toshiba)
我們先來說說VCE(sat)過電流保護(hù)檢測功能。在IGBT工作時(shí),如果對IGBT施加過電流,集電極-發(fā)射極電壓(VCE)將升高,這時(shí)如果功率過大有可能損壞IGBT。因此,必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)(10μs以內(nèi))切斷過電流。
VCE(sat)檢測電路的“任務(wù)”就是監(jiān)測IGBT的VCE(sat)電壓。集電極電壓由DESAT引腳監(jiān)測,當(dāng)DESAT引腳電壓超過6.5V時(shí),則判定為有過電流的情況發(fā)生,就會在700ns內(nèi)執(zhí)行光耦輸出的軟關(guān)斷,與此同時(shí)通過圖中下部那一組光電轉(zhuǎn)化通道向控制器發(fā)送故障信號。通過這樣一種安全保障機(jī)制,就可以確保IGBT免受過流損壞。
圖3:TLP5214A和TLP5214的過電流保護(hù)功能
(圖源:Toshiba)
我們再來說說TLP5214A和TLP5214另一個(gè)重要的保護(hù)功能——有源米勒鉗位。IGBT集電極和柵極之間的寄生米勒電容CCG會在逆變電路中引發(fā)開關(guān)噪聲故障。具體來講,當(dāng)逆變器電路中上臂的IGBT導(dǎo)通時(shí),下臂IGBT的VCE會急劇上升,這時(shí)位移電流IS=CCG x(dVCG/dt)通過下臂的IGBT的CCG產(chǎn)生,并流向光電耦合器的輸出,IGBT的柵極電壓因此而升高,并流經(jīng)RG。由于柵極電壓升高,IGBT將錯(cuò)誤地導(dǎo)通,從而導(dǎo)致上下臂短路(如圖4)。
圖4:米勒電容產(chǎn)生電路故障的原理
(圖源:Toshiba)
解決這一問題的方法通常是使用一個(gè)負(fù)電源(Negative Power Source)或者調(diào)整柵極電阻,但前者的成本較高,后者又會增加開關(guān)噪聲。另一種防止米勒電容故障的方法是使IGBT的柵極和發(fā)射極短路,但這需要額外的外部元件去實(shí)現(xiàn)柵極的鉗位,無疑會占用更大的電路板面積。
而TLP5214A和TLP5214通過內(nèi)置有源米勒箝位功能,很好地解決了這個(gè)問題。電路設(shè)計(jì)時(shí),將米勒鉗位引腳VCLAMP連接到IGBT的柵極,當(dāng)光耦的輸出由高變低,柵極電壓降到大約3V以下時(shí),VCLAMP-VEE之間的MOSFET導(dǎo)通,柵極被鉗位于VEE。通過將米勒電流從VCLAMP引腳旁路到發(fā)射極,可以抑制柵極電壓的上升,從而防止逆變器上下臂短路。
圖5:有源米勒鉗位工作過程
(圖源:Toshiba)
除了上述的VCE(sat)檢測、有源米勒鉗位,TLP5214A和TLP5214還集成了許多其它功能,包括全擺幅電壓輸出和UVLO(欠電壓鎖定)功能。UVLO功能是為了防止在低電壓下因功率器件驅(qū)動不足而引發(fā)故障,當(dāng)電源電壓在運(yùn)行過程中下降并低于UVLO檢測電壓時(shí),運(yùn)行停止,直到柵極驅(qū)動光耦的電源電壓達(dá)到UVLO釋放電壓,這有助于防止功率器件在輸入電壓啟動過程中發(fā)生故障,也是不少高性能柵極驅(qū)動光耦的標(biāo)配。
圖6中對比了Toshiba的標(biāo)準(zhǔn)型和智能型柵極驅(qū)動光耦的主要功能差異??梢钥闯鏊鼈冎饕牟顒e就在于上面提到的這些附加的保護(hù)功能上,由于增加了這些功能,使得智能柵極驅(qū)動器可以用更少的外部組件、更低的成本、更小的PCB尺寸,去滿足更復(fù)雜的設(shè)計(jì)需求。
圖6:標(biāo)準(zhǔn)型和智能型柵極驅(qū)動光耦的區(qū)別
(圖源:Toshiba)
從本文所介紹的幾款Toshiba產(chǎn)品中,可以看出柵極驅(qū)動光耦差異化的兩種思路:一種是在標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品上挖潛,盡可能將一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)做到極致;另一種則是在光耦中集成更多的功能,簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),為開發(fā)者帶來更大的便利。無論是那種思路,目的都是一樣的,就是要讓客戶價(jià)值最大化。這樣的產(chǎn)品,自然會打動人心,令人一見鐘情,過目不忘。
想要進(jìn)一步了解本文中推薦的幾款Toshiba光耦器件的產(chǎn)品詳情,請?jiān)L問以下貿(mào)澤電子網(wǎng)站上提供的相關(guān)技術(shù)資源。
來源:貿(mào)澤電子
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