【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(hào)時(shí)，很多人第一想到的方案就是使用光電耦合器（簡(jiǎn)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(hào)，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(hào)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(hào)和接收端的電信號(hào)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(zhǎng)、無觸點(diǎn)、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。
簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(hào)或交流信號(hào)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(huì)內(nèi)置一個(gè)IC做信號(hào)放大和整形，可實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)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(hào)的高速光耦，以及作為功率元件（如IGBT）柵極驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)光耦。
3 隔離放大器
隔離放大器可以在對(duì)模擬信號(hào)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(hào)測(cè)量，并對(duì)被測(cè)對(duì)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(jí)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(jí)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(zhǎng)壽命、低電流驅(qū)動(dòng)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(dòng)光耦，它們各具特點(diǎn)，與其他競(jìng)品放在一起很有辨識(shí)度，看過之后，一定會(huì)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(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng)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(guó)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(dòng)，而無需緩沖。
TLP575x和TLP577x還提供高溫型的產(chǎn)品（型號(hào)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(dòng)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(dòng)光耦特性比較
（資料來源：Toshiba）
簡(jiǎn)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(dòng)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(jiǎn)的設(shè)計(jì)去滿足眾多通用應(yīng)用場(chǎng)景的需求，那么下面這款智能柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)IGBT和功率MOSFET，用于交流電機(jī)和無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)）、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(dòng)光耦框圖
（圖源：Toshiba）
我們先來說說VCE(sat)過電流保護(hù)檢測(cè)功能。在IGBT工作時(shí)，如果對(duì)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(cè)電路的“任務(wù)”就是監(jiān)測(cè)IGBT的VCE(sat)電壓。集電極電壓由DESAT引腳監(jiān)測(cè)，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(huì)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(hào)。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?cè)賮碚f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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(cè)、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(dòng)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(cè)電壓時(shí)，運(yùn)行停止，直到柵極驅(qū)動(dòng)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?jiǎn)?dòng)過程中發(fā)生故障，也是不少高性能柵極驅(qū)動(dòng)光耦的標(biāo)配。
圖6中對(duì)比了Toshiba的標(biāo)準(zhǔn)型和智能型柵極驅(qū)動(dòng)光耦的主要功能差異。可以看出它們主要的差別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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jiǎn)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(huì)打動(dòng)人心，令人一見鐘情，過目不忘。
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來源：貿(mào)澤電子
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