用于数字通信接口的稳健且超低功耗的隔离

在光电耦合器工作时，有两个主要的部件会消耗电流，分别为驱动LED的正向电流IF以及将LED的光电信号转换为电气信号的检测器电流ID。光电耦合器可以通过降低LED的驱动电流和检测器电流来达到低功耗。电源效率通常是工程师必须持续努力改进的关键的性能参数。选用低功耗的光电耦合器有四个重要的理由：首先，它可以降低整体功耗；其次，通过较低的功耗可以减少发热，从而简化温度管理系统设计；第三，通过使用较低的驱动电流，光电耦合器的LED寿命可以大大延长；最后，低于4mA的LED驱动电流可以由大部分微控制器以及ASIC直接驱动，不需要外部缓冲器。

图2显示了Avago的光电耦合器在85℃到105℃的条件下，以2mA的驱动电流工作时，现场工作年限和电流转换比（CTR）的衰减度。基本上，LED的工作寿命和驱动电流是成反比的，通过降低驱动电流，LED的工作寿命可以大幅提升。图2中的数字使用了采用Black’s Model计算的等效现场小时数，是基于LED 100%被点亮，使用了三个西格玛的数据，Avago的LED CTR的衰减为5%，可以实现长达35年的连续工作寿命。

图2 Avago的光电耦合器在85℃到105℃的条件下，2mA的工作电流时，现场工作年限和电流转换比（CTR）的衰减度

创新设计技术和功能

使用光电耦合器有几个重要的好处，除了可以提供MCU或DSP的直接连接以外，也可以方便地改变输出的极性。最重要的是，光电耦合器提供了卓越的抗噪声能力，非常适合使用在高噪声的电器环境中。

以往的光电耦合器可能需要在MCU或者DSP的输出连接一个缓冲器来提高LED的驱动电流。目前Avago最新的光电耦合器可以使用最低40μA的正向电流点亮。这类光电耦合器可以被大部分的微处理器直接驱动，不需要外加缓冲器，从而节约器件的数量并简化电路板的设计。

大部分隔离器都拥有预先设定好的输出配置，例如反相或者同相。反相代表输出信号与输入信号极性相反。例如，输入逻辑为高电平时，输出逻辑为低电平。同相则代表输出信号与输入信号极性相同。LED光电耦合器可以在不使用反相器的情况向改变输出极性。图3中，左图的电路连接方式可以提供反相输出，通过将Vin连接在Vcc，并且接地连接到Vin，就可以得到同相输出，这样做也有助于减少器件数。

图3 使用LED输入光电耦合器改变输出极性

共模噪声是数字通信应用中的重要问题，特别是在电动机、传感器和可编程控制器（PLC）相互连接的工作环境中。在这类系统中，隔离器有助于降低噪声，并且强化信号的完整性。所有的隔离器不管采用何种技术，都会在器件的两个隔离端之间产生寄生电容。发生在输出端的噪声变化，可能会引起输入端不必要的电压上升，造成输入的错误触发，甚至低阻抗逻辑的输入锁定。带有LED输入的光电耦合器非常适合于高共模噪声环境的应用。首先，光信号通过透光的绝缘材料的衰减是非常低的，因此隔离的距离可以加大，较大的隔离距离的直接好处是可以实现比较低的寄生电容。也就是说，输入和输出端之间不必要的耦合可以降至最低。第二，通过使用分离式的电阻输入驱动方式，将原来单一的限流电阻分成两个小阻值的电阻，连接在LED的两端，可以平衡LED输入上的阻抗，在这种配置中，由共模噪声造成的LED输入上的电压上升会比较对等，因此，不会点亮LED。第三，LED输入拥有相对较高的输入电容，一般为70pF。LED和限流电阻串联可以作为低通滤波器滤除高频噪声。通过使用平衡式的分流电阻，光电耦合器的共模抑制比即使在驱动电流只有2mA时，也可以提高到35kV/ms。

共模抑制在隔离器上有两种形式：静态和动态。静态CMR是指输入为固定高电平或者低电平情况下的共模噪声抑制能力，通常系统为备用或者待机的状态。在这些状态下，系统的部分组件被关断以节约功耗，只剩下部分模块来检测信号。系统必须维持相同的逻辑状态，不管环境中有没有发生静态共模噪声。这主要是为了确保噪声不会造成系统的误触发。在动态环境下，系统通过逻辑高电平与低电平不停地发送信号，要避免共模噪声耦合到输入信号上，系统就必须滤除这些噪声，称为动态CMR。对于部分的隔离器来说，系统的动态CMR通常要低于静态CMR。Avago的光电耦合器会检测由输入信号设定的正向电流大小，并且把光输出到检测器，因此它的结构决定了在动态和静态环境下的性能是相当的。

Avago的光电耦合器在数字上面可以满足高速设备的要求，LED输入的光电耦合器具有可以在输入限流电阻上并联一个峰化电容的能力，来提高速度性能。峰化电容的大小，可以由输入信号的上升和下降时间、电源电压以及LED的输入电流驱动来决定。图4中，左图为一个电源电容的电路，右图是测试的结果。从图中可以看出传输延迟和脉宽失真可以通过加入峰化电容进行改善。其中，实线部分是没有加峰化电容时的表现，虚线部分是加入了峰化电容以后的改善情况。