嵌入式工程师必备技能_关于嵌入式系统中的光电隔离设计技巧

由于工业应用环境中存在着许多不小的瞬变脉冲，这些瞬变脉冲会影响到数据的传输，甚至伤害互连的设备，为了能够在高速现场总线通信得到无错误的数据传输，工业系统设计工程师必须要对这些干扰进行处理，通常会使用具有绝缘隔离功能的光电耦合器来维持数据的完整性并保护互连设备。

什么是光电隔离器？
光电隔离器（Optoelectronic Isolator，简称OC）也称光电耦合器、光耦合器，简称光耦。光耦合技术是在透明绝缘隔离层（例如空气间隙）上的光传输，完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出隔离的作用。是应用最为广泛的隔离方式。
光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。

光电隔离器的特点：
光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是20世纪70年代发展起来的新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。光电隔离电路图设计如图1所示。

图1（光电隔离电路图）

最为常用的光电隔离电路如图2所示，应用最为普遍的光电耦合器如东芝TLP521等都可以使用此电路，电路的输入端使用一个限流电阻，输出端使用一个分压电阻，当左侧输入端输出高电平点亮LED，右侧接收到光信号后电阻变小，输出端输出低电平，否则输出高电平，如果要使输入输出端电平状态一致，可以将左侧改为灌电流输入的方式或者将右侧分压电阻接地连接。此电路还可以用于电平的转换，LED发射端通过限流电阻的配合可以承受比较宽的电压范围，因此可以实现不同的工作电压电平转换，这种形式经常应用于一些开关量控制或读取的电路中。

图2（常见的光耦隔离电路结构）

由于很多功率驱动电路经常需要进行电气隔离，因此将驱动电路与光电耦合器结合就成为具备功率驱动功能的光耦，如东芝公司的TLP250，其内部结构所图3如示。光耦采用8脚DIP封装，有一个光耦和一个推挽输出电路组成，最大可以输出1.5A电路，可以直接驱动IGBT、MOSFET等功率器件，极大方便了电路的设计，类似的产品还有安捷伦公司的HCPL-3120具备最大2.5A的输出电流。

图3（TLP250的内部结构）

普通的光电耦合器由于完成光电转换需要一定的时间，只适合在通信速率要求不高的情况下使用，如上文介绍的TLP521，在串口应用中9600以下的波特率还能够正常工作，再高的波特率就无法使用，因此在需要对高速信号进行隔离的场合需要使用针对高速隔离设计的高速光耦，6N137光耦合器是最常见的用于单通道隔离的高速光耦合器，其内部由一个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，转换速率高达10Mbps非常适合用于各种高速通信接口等高速数字信号的隔离。与6N137类似的还有HCPL-2601/2611，双通道的HCPL-2630/2631等。其封装及内部结构如图4所示。

图4（光耦封装及内部结构图）

总结：由于光电隔离具有成本低、使用灵活等优势，在嵌入式系统的设计中有广泛的应用，很多情况下仍然是隔离方式的首选。