浅谈光耦的CTR及延迟
新作的一个项目，里面有一个电机高温保护的要求，原理如下：在PTC0和COM0之间接入PTC热敏电阻，正常使用时，PTC的阻值＜1K，一旦电机出现短路、堵转时，电机温度急速上升，PTC也会急速上升，PTC阻值也上升，一旦PTC阻值＞3K，光耦导通，将故障信号传送给CPU。在产品进行可靠性试验时，在70℃温箱时，该电路经常误报。
二、光耦的基础知识
上述的问题和光耦的CTR设计余量有关，我们今天学习一下光耦的两个重要参数：CTR和延迟。
1. 理解光耦
以一个简单的图（图.1）说明光耦的工作：原边输入信号 Vin，施加到原边的发光二极管和 Ri 上产生光耦的输入电流 If，If 驱动发光二极管，使得副边的光敏三极管导通，回路VCC、RL 产生 Ic,Ic 经过 R L 产生 Vout，达到传递信号的目的。原边副边直接的驱动关联是CTR（电流传输比），要满足 Ic≤If*CTR。所以，光耦最重要的参数就是CTR，CTR可以理解为增益、放大倍数等。
光耦一般会有两个用途：线性光耦和逻辑光耦，如果理解？
工作在开关状态的光耦副边三极管饱和导通， 管压降<0.4V， Vout 约等于 Vcc （Vcc-0.4V左右） ， Vout 大小只受 Vcc 大小影响。 此时 Ic<If*CTR， 此工作状态用于传递逻辑开关信号。工作在线性状态的光耦， Ic=If*CTR， 副边三极管压降的大小等于 Vcc-Ic*R L ， Vout= Ic*R L=(Vin-1.6V)/Ri * CTR*R L ，Vout 大小直接与 Vin 成比例，一般用于反馈环路里面 (1.6V 是粗略估计，实际要按器件资料，后续 1.6V 同) 。
2. 光耦的分类
上述提到了线性和逻辑光耦两种分类，其实光耦的分类还有很多种，以下是作者统计的常用的光耦的分类。其实，对于绝大多数的电子行业从业者，用得最多的两种分类就是线性和逻辑两种分类，而逻辑光耦是用得最多的一种类型，本文的分析也主要集中在逻辑光耦上。
三、光耦的的计算过程
1. 光耦的CTR
光耦的最重要的参数就是CTR，作者将从三个方面讨论CTR，分别是：
1) 光耦的CTR计算过程
2) CTR的余量设计（降额设计）
3) 影响CTR的因素
光耦的CTR计算过程
我们以最简单的TCM1100光耦为例，介绍光耦的CTR的计算过程，如下图4，图中，R1的作用是限流，R1的大小决定了If的大小；R2的作用主要是分流，同时可提高系统的抗干扰能力。C1、C3的作用主要是滤波，提高抗干扰能力；R3的主要作用就是限流，R3决定了最大的Ic电流。
假设我们的产品的规格是：
1) 工作温度：-10~70℃；
2) 产品寿命：≥5年。
3) 原边电压Vin=24V
第一步；获取CTR、Vf、Vce的典型值。
我们先光耦的核心参数，如图5，图中的意思说，TCM1100这个光耦在IF=5mA,VCE=5V，25℃时候，光耦的CTR是确定的，确定的值是50%~600%。也就是放大倍数在0.5~6倍。（这是多么不靠谱的数字，跨越如此之大。），我们计算的时候，只能按照最低的50%使用。再看VF，代表的是光耦导通的时候，原边的压降典型值为1.25V，副边的三极管导通压降是0.3V。这几个参数我们估算CTR的时候需要用到。
第二步：初步选定原边电流If。
第一个制约条件：副边所需电流：IC。假设光耦的副边是连接GPIO，所需的驱动电流忽略不计，图4中的R3主要当做上拉电阻使用，就按照常规的5.1K选择。Ic=（VCC-Vce）/R3=（3.3V-0.2V）/5.1K=0.607mA;根据光耦可靠导通的需求：Ic≤If*CTR，所以0.607mA≤If*50%；可以推算出第一个制约条件：If≥1.21mA。
第二个制约条件：CTR的线性度。除了If≥1.21mA这个条件，我们再看图7，表示的是不同的Ic和IF时的关系曲线，在下图中，我们主要控制If要在线性度非常好的区间，在该线性区间内，CTR才是一个相对稳定的值，所以我们可以推出第二个制约条件：1mA＜If＜8mA。
第三个制约条件：温度。因为我们的产品需要工作为最高70度，根据下图，我们估算，我们的CTR大概需要降额系数为0.7。所以，根据Ic≤If*CTR，得出第三个制约条件：IF≥IC/（0.7*CTRmin）=0.607/（0.7*50%）=1.734mA
第四个制约条件：当前IF的最小CTR。因为上述的最小CTR=50%是在5mA的情况下得到的，实际时我们的If没有工作在5mA，所以就需要下面这张图，根据下图8，我们的CTR是If=5mA时的0.8倍。所以得出第四个制约条件：IF≥IC/（0.7*0.8*CTRmin）=0.607/（0.7*0.8*50%）=2.16mA。
第五个制约条件：寿命。光耦核心就是发光二极管，其是有寿命的，一般来说，IF越大，亮度越高，温度越高，寿命越短。寿命一般定义为CTR下降到初始值的50%。 所以，从寿命的角度看，If越小越好。
综合上述5个制约条件，我们最终选定了If=2.16mA，此时电路的CTR=Ic/If=0.607/2.16=28.1%。相比规格书的最小CTR 50%，我们降额幅度为：28.1%/50%=56%，满足绝大部分公司的降额规范。
第三步；选择原边并联电阻R2。
R2的主要作用是分流，提高输入的抗干扰性，因为光耦是电流驱动型，电阻的响应速度很快，一些小干扰可以直接通过电阻R2形成回路流走，光耦不会动作。R2越小，分流就越多，抗干扰能力就越强，但是电阻的封装就需要越大。根据经验值，R2一般为500R~3K。我们暂且选用R2=510R。因Vf典型值为1.25V，电流Ir2=1.25/510R=2.45mA,功率=I*R2=3mW，选用510R/R0603封装即可。
第四步；选择原边限流串联电阻R1。
通过上述我们计算了If=2.16mA，分流电流Ir2=Vf/R2=1.25V/510R=2.45mA，回路电流=2.16+2.45=4.61mA。所以R1=（Vin-Vf）/I=（24V-1.25V）/4.61mA=4.9K，电阻功率= I*R1=0.105W，选用电阻4.9K/R1206即可。
2.光耦的延迟
上述CTR 影响到信号能不能传过去的问题，类似于直流特性。下面主要分析光耦的延时特性，即光耦能传送多快信号。涉及到两个参数：光耦导通延时tplh 和光耦关断延时tphl，以TCMT11为例：在If =2mA 时候，关断延时最大6uS，导通延时最大5uS。总的延迟=6+5=11uS，所以，改光耦不能用于大于90KHZ的开关信号。
温度对速率的影响。
上述只是常温，If =2mA 时的延迟，如下图，产品在75℃工作时，总的延迟时间约为常温的1.6倍，所以总的延时时间为：11*1.6=17.6us。
IF电流对延迟的影响如下图，我们工作的电流在2mA左右，所以无影响，如果计算的IF＞6mA，则需要按照下图进行降额。
IC电流对延迟的影响如下图，我们IC电流设置为0.6mA左右，所以按照最大延迟计算。
综上所述，考虑到温度、IF、IC等对延迟的影响，并且加上器件的降额30%。总的延时为11us*（1.6+0.3）=18.7us，换算成频率为＜53KHZ。
四、总结。
文首中的光耦设计，光耦的IF设置为1.02mA，光耦的参数为50%~600%，实测光耦的CTR为40%左右，余量不足，在高温下，CTR变小，导致电路误报。将串联电阻修改为510R，并联电阻修改为1K，CTR设置为20%左右，问题解决。
上述的分析过程虽然很长，其实核心步骤是：
1) 根据副边所需的负载，确定Ic；
2) 根据光耦的CTR的下限，估算原边所需的最小If；
3) 根据规格书给出的曲线图，综合温度、寿命、线性度等因素，对CTR进行降额；
4) 根据分压和欧姆定律计算限流电阻。
5) 根据Ton/Toff 初步计算最高工作频率，再综合温度、IF、IC进行降额。