CN113406427A - 一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路 - Google Patents

Abstract

一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，涉及元器件老炼技术领域。包括：电源V1、电源V2、输入端恒流模块、待老炼光耦、输出端限流稳压差模块、输出端恒流控制模块、输出电流采样模块；输入端恒流模块的一端接V1正极，另一端接待老炼光耦输入单元正极端及输出端恒流控制模块正输出端，输出端限流稳压差模块的一端接V2正极，另一端接待老炼光耦输出单元的正极端，输出电流采样模块的一端接待老炼光耦输出单元的负极端，另一端接地；输出端恒流控制模块的输入端并联在输出电流采样模块的两端，输出端并联在待老炼光耦输入单元的的两端。解决了现有老炼电路老炼功率不稳定、质量不受控、成本高等问题，广泛应用于光电耦合器的老炼电路中。

Description

一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路

技术领域

本发明涉及元器件老炼技术领域，具体来说，涉及一种光电耦合器老炼电路。

背景技术

光电耦合器(简称光耦)应用于需要电气上物理隔离的场合来传递信号，其传递过程为：输入端将电信号转换为光信号，输出端接收光信号并转换为电信号；其输入端与输出端物理隔离，通常输入端为发光二极管、输出端为光敏三极管。

目前针对光耦的老炼筛选分为输入端老炼和输出端老炼两个步骤。在对输出端老炼筛选时，需要对光耦内部的发光二极管施加一定的正向电流I_F，同时对输出端的光敏三极管施加规定功率进行老炼，通常为额定功率P_CM。

图1为现使用的光耦输出端老炼电路，其工作原理为：调节输出端电压V2到一定的V_CE电压值(通常为击穿电压的0.6—0.75倍之间)；R2为采样电阻或限流电阻，它的两端电压可换算出I_C电流值；然后调节V1电压和R1电阻来控制I_F，使输出端I_C电流与V_CE电压的乘积达到P_CM，从而达到老炼的目的。

如图1所示，输出端三极管的老炼功率：P_C＝V_C×I_C,I_C由输入端电流I_F与光耦的CTR确定，其关系为：I_C＝I_F×CTR,其中I_F＝(V1-V_F)/R1,因此，输出端三极管的老炼功率：

从上式中，可以看出，若CTR不一致或变化，则功率P_C将产生变化。CTR的不一致，大致可分为两种情况：

其一，同一只光耦，在不同工种条件下，如温度的波动等原因，导致其CTR产生波动，从而导致功率P_C产生变化。

其二，同一型号光耦，其在CTR这个参数上，存在个体差异，若具体到每一只光耦，则有的CTR会大一些，有的CTR会小一些，其差值从百分之几十到百分之几百不等。

在实际给光耦做老炼时，因为需要多成百上千只光耦做功率老炼，因此，需要对图1电路做成百上千次的并联处理的。若给每只光耦施加的V1、R1、V_C均相同且忽略每只光耦V_F的个体差异，则每只光耦的P_C功率直接与CTR的差异性相关；理论上可以通过分别调整每一只光耦的R1值或V1值，使每只光耦的P_C功率一致，但这样将使具体实现的难度和成本急剧增加，做多少只光耦老炼就需要调整多少次，且还无法避免同一只光耦CTR随环境而变化的问题。

物理机理方面由于每只光耦组装工艺的一致性、光耦发射端芯片及接收端芯片参数自身均存在个体差异等原因，每只光耦CTR的一致性较差。

功率老炼的目的是剔除有隐患或有制造缺陷的器件。这些器件的失效与时间和应力有关，如未经过老炼，这些器件在正常使用条件下将产生早期失效。

现有老炼电路中输出端三极管老炼功率不稳定，使得输出端三极管存在过功率或欠功率老炼的可能，过功率老炼可能造成如下后果：①产品参数缓慢退化，使用寿命缩短；②产品参数异常；③产品直接损坏；这三种后果中，第一种往往引入质量不可控因素的问题，因为很难用参数检测的方法将其筛选出来；第二、第三种通常可通过参数检测将其筛选出来。欠功率老炼引入的问题是：由于施加的应力偏小，存在难以将本身有缺陷的产品通过功率老炼的方式剔除出来的可能，因而也有引入质量不可控因素的可能。

因此，现有老炼电路存在的主要问题在于：输出端三极管的老炼功率不稳定，波动大，易导致过电应力，使老炼后，光耦的寿命不稳定，从而造成质量和可靠性不受控；光耦的CTR存在个体差异，导致具体到每一只光耦的老炼功率偏差较大，CTR的一致性较差，老炼的一致性差；批量性老炼兼容性差；老炼可靠性差等问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明旨在解决现有老炼电路中光电耦合器输出端三极管的老炼功率不稳定，波动大，老炼可靠性差，质量和可靠性不受控，老炼成本高等问题。

现有技术中，对于稳压电路，要维持电压恒定不变，当负载出现变化时，其电流必然发生变化；同理，对于恒流电路，要维持电流恒定不变，当负载出现变化时，其电压必然发生变化；要保持电压不变，其电流就无法恒定，要保持电流不变，其电压就无法恒定。

现有技术如图1所示，通过调节V2电压和I_F电流来确定输出端三极管的老炼功率，但由于光耦CTR随环境因素变化大、批次性和一致性较差的原因，其功率波动范围较大，影响老炼质量。为使功率波动范围小甚至恒功率，必须使光耦输出端单元(输出三极管)的电压与电流恒定，由于现有技术中，恒压电路是不恒流，恒流电路又不恒压，因此，如何设计既恒压也恒流的电路，是本发明电路设计出发点，同时兼顾老炼的方便性和批量老炼的成本性。在实际应用中会进行成百上千只光耦同时老炼，就需要对图1电路进行成百上千倍的重复，其电路的复杂性和成本也将成百上千倍的增加，增加任何一个元件，都意味作在实际应用中要增加成百上千个元件，因而，除了要实现恒压恒流功能，其电路的简易性也极为重要。

图1电路中，I_C电流的差异是由于CTR的变化或不一致引起的，由于CTR的变化和不一致是客观存在的，要让CTR的变化不影响I_C，就需要采取另外的参数来进行补偿，根据电路的光耦特性，可以通过I_F来补偿，当CTR变大时，将I_F调小，则可保持I_C的恒定，反之亦然。因此，可以通过一个输出恒流控制模块(输出电流采样、放大与反馈控制网络)将I_C与I_F关联起来，进而设计出来本专利的电路框图。

为此，本发明提供一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，采用输出端恒流恒压技术来实现对光耦输出端的恒功率老炼。如图2所示。

所述一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，包括：输入直流电源V1、输出直流电源V2、输入端恒流模块、待老炼光耦、输出端限流稳压差模块、输出端恒流控制模块、输出电流采样模块。

所述输入端恒流模块的一端接输入直流电源V1的正极，输入端恒流模块的另一端接待老炼光耦输入单元的正极端及输出端恒流控制模块输出端的正极端，输入直流电源V1的负极接地，待老炼光耦输入单元的负极端接地；

所述输出端限流稳压差模块的一端接输出直流电源V2的正极，输出端限流稳压差模块的另一端接待老炼光耦输出单元的正极端，输出直流电源V2的负极接地；所述输出端限流稳压差模块具有限流和产生稳定压差的功能，使待老炼光耦输出单元的输出电压V_E稳定；

所述输出电流采样模块的一端接待老炼光耦输出单元的负极端，另一端接地；

所述输出端恒流控制模块的输入端并联在输出电流采样模块的两端，正输入端接待老炼光耦输出单元的负极端；所述输出端恒流控制模块的输出端并联在待老炼光耦输入单元的的两端，正输出端接待老炼光耦输入单元的正极端。与输出端限流稳压差模块有机配合，实现使待老炼光耦输出单元的输出电压V_E及输出电流I_C稳定，从而实现光电耦合器输出端恒功率老炼的目的。

对于输入端恒流模块，也可接在老炼电路负输入端，图略。此时，所述输入端恒流模块的一端接输入直流电源V1的负极，输入端恒流模块的另一端接待老炼光耦输入单元的负极端及输出端恒流控制模块输出端的负极端，输入直流电源V1的负极接地，待老炼光耦输入单元的正极端接输入直流电源V1的正极。

为实现图2所述的技术方案，本发明提供一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，根据输入端恒流模块的接入方式，分为正输入端接恒流模块老炼电路(如图3所示)、负输入端接恒流模块老炼电路(如图4所示)。

一、对于正输入端接恒流模块老炼电路

包括：输入直流电源V1、输出直流电源V2、输入端限流电阻R1(起输入端恒流和限流作用)、待老炼光耦OC1、输出端限流电阻R2(起输出端恒压和限流作用)、负反馈电路(进行输出端恒流控制)、输出电流采样电阻R3。

所述R1的一端接输入直流电源V1的正极，R1的另一端接OC1输入单元的正极端及负反馈电路输出端的正极端；

所述R2的一端接输出直流电源V2的正极，R2的另一端接OC1输出单元的正极端；

所述R3的一端接OC1输出单元的负极端，另一端接地；

所述负反馈电路的输入端并联在R3的两端，正输入端接OC1输出单元的负极端；所述负反馈电路的输出端并联在OC1输入单元的的两端，正输出端接OC1输入单元的正极端。

所述R1、R2、R3可采用精密金属膜电位器，考虑到自动控制的问题，可采用数字电位器。

二、对于负输入端接恒流模块老炼电路

包括：输入直流电源V1、输出直流电源V2、输入端限流电阻R1(起输入端恒流和限流作用)、待老炼光耦OC1、输出端限流电阻R2(起输出端恒压和限流作用)、负反馈电路(进行输出端恒流控制)、输出电流采样电阻R3。

所述R1的一端接输入直流电源V1的负极，R1的另一端接OC1输入单元的负极端及负反馈电路输出端的负极端；

所述R2的一端接输出直流电源V2的正极，R2的另一端接负反馈电路的正输入端；

所述R3的一端接负反馈电路的正输入端，另一端接负反馈电路的负输入端；

所述负反馈电路的负输入端接OC1输出单元的正极端，OC1输入单元的负极端接地；

所述R1、R2、R3可采用精密金属膜电位器，考虑到自动控制的问题，可采用数字电位器。

三、电路原理分析

以图3所示的示意图为例，通过在老炼电路中引入采样电路及负反馈电路，在负反馈电路中完成对I_C电流的检测，若I_C大于设定值，则加大反馈电流I₁，由于I₁增大，光耦输入端电流I_F将减小，进而使输出端I_C电流减小，达到控制I_C电流稳定在设定值范围内的目的，实现电流恒定；对于电压恒定的问题，将负反馈电路的输入端V_E的电压设置为一个恒定值，其回路电压公式为：

V_CE＝V₂-V_R2-V_E

其中V_R2为R2两端电压，其电压值与流过它的电流I_C有关，一旦将I_C控制为恒定值，则V_R2为也恒定值，则V_CE电压即可恒定，其值基本不变，实现电压恒定；从而同时满足光耦输出端电压恒定和电流恒定的要求，达到输出端恒功率老炼的目的。

有益效果：

通过对现有光耦输出端老炼电路的分析，现有老炼电路存在引入质量和可靠性不可控因素的问题以及光耦的CTR存在个体差异，导致具体到每一只光耦的老炼功率偏差较大的问题。本发明所述技术方案的解决了上述问题，优点主要有：

(1)光耦输出端老炼功率稳定性良好，解决了现有老炼电路在老炼环节引入质量不可控因素的问题，同时也解决了光耦的CTR存在个体差异，导致具体到每一只光耦的老炼功率偏差较大的问题。

(2)电路简单，且易于并联扩展，具备很好的实现性、维护性和推广性。

(3)可靠性高，批量一致性好，对CTR波动的容差大，适用范围宽。

本发明所述技术方案广泛应用于高可靠、批量性的光电耦合器老炼电路中。

附图说明

图1为现光电耦合器输出端老炼电路示意图。

图2为本发明光电耦合器输出端恒功率老炼原理框图示意图。

图3为老炼电路正输入端接恒流模块的电路框图示意图。

图4为老炼电路负输入端接恒流模块的电路框图示意图。

图5为单管采样放大式恒功率老炼电路结构示意图。

图6为复合管采样放大式恒功率老炼电路结构示意图。

图7为集成运放采样放大式恒功率老炼电路结构示意图。

图中：V1为输入直流电源，V2为输出直流电源，R1为输入限流电阻，R2为输出限流电阻，R3为输出采样电阻，OC1为待老炼光电耦合器，Q1为PNP管，Q2为NPN管，A1为运算放大器。

具体实施方式

进一步地，实现正输入端接恒流模块老炼电路，根据负反馈电路的实现方式，按取样放大能力和控制能力的大小，列举如下三种具体实施方式：

实施例1：(图5)

负反馈电路由NPN三极管Q2组成的共射极电路实现。负反馈电路的输入端为BE极，负反馈电路的输出端为CE极。所述NPN三极管Q2为2N3904。

实施例2：(图6)

负反馈电路由PNP三极管Q1与NPN三极管Q2组成的复合晶体管实现。Q1的基极与Q2的集电极连接，Q1的集电极与Q2的发射极连接并接地，负反馈电路的输入端Q2的BE极，负反馈电路的输出端为Q1的CE极。所述PNP三极管Q1为2N3906,所述NPN三极管Q2为2N3904。

实施例3：(图7)

负反馈电路由运算放大器A1实现。负反馈电路的输入端A1的输入端，负反馈电路的输出端为A1的输出端。所述运算放大器A1为高输入阻抗高精密运算放大器。

如图5所示的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路：

稳流稳压原理分析：

以实施例1为例，如图5所示，先不考虑Q2和R3，当V1上电，给光耦输入端发光二极管提供一个正向电流I_F，该发光二极管工作，驱动输出端光敏三极管导通，产生I_C电流，IC与IF的关系由光耦的CTR确定：

I_C＝CTR·I_F

由于CTR自身会随工作条件产生变化以及每一只光耦均存在差异性，则I_C电流将不恒定。图5电路中引入Q2、R3组成负反馈电路来解决CTR变化和不一致的问题，CTR会存在两种不一致的状态，一种是偏大，一种是偏小，下边分别对两种情况进行分析，说明电路是如何满足功能的。

第一、CTR偏大的情况。

当CTR偏大，则I_C电流偏大，进而使R3电阻两端电压V_R3变大，V_R3变大将使Q2三极管导通，产生电流I_CQ2或者使I_CQ2增大。同时，由于电路中：

I_F＝I₁-I_CQ2

I_CQ2增大，将使I_F变小，而I_F变小又导致I_C电流变小，从而产生负反馈效应，使I_C电流保持恒定或在允许的范围内。

第二、CTR偏小的情况。

CTR偏小，使得输出端I_C电流偏小，负反馈电路将不工作，无法将I_C电流增大到需要的值。针对此种情况，仅需要将I₁电流调大到保证负反馈电路产生作用即可，即在电路设计时，将I₁电流设计得大一些，I₁设计得越大，则可调节此种情况的CTR范围越大，但过大的I₁将产生能源浪费等问题，因此，将其调整到I_F的两倍即可。

分析到这里，电路可以保证I_C恒定，接下来在分析光耦输出端电压V_CE是否也能恒定。根据电路，可得出下式：

V_CE＝V₂-V_R2-V_E

V_E等于Q2的B、E极间电压，为二极管正向电压特性，基本保持恒定，V_R2为电阻两端电压，由公式V_R2＝I_C·R2决定，其中I_C、R2为恒定值，则V_R2保持恒定，V2为稳压电源电压，也为恒定值，因此，光电耦合器的输出端电压V_CE也可保持恒定。

根据上述分析，图5电路中，光电耦合器的输出端电压V_CE、电流I_C均可以保持恒定，故电路能够满足光电耦合器的输出端三极管功率恒定的要求。

图6、图7所示电路的工作原理与图5电路类似，也可达到同样的功能。

其图5、图6、图7均为根据图3电路框图设计的具体电路图，可以看到，在具体电路中，将V_E点的电压设置为基本恒定的值是可以实现的。

可实现图3框图功能的具体电路不仅局限于图5、图6、图7所举例子，只要满足图3电路框图的思路均可实现光耦输出端恒定功率老炼的目的。

最后应说明的是：上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，本发明包括但不限于以上实施例,这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡符合本发明要求的实施方案均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，包括：输入直流电源V1、输出直流电源V2、输入端恒流模块、待老炼光耦、输出端限流稳压差模块、输出端恒流控制模块、输出电流采样模块；

所述输入端恒流模块的一端接输入直流电源V1的正极，输入端恒流模块的另一端接待老炼光耦输入单元的正极端及输出端恒流控制模块输出端的正极端，输入直流电源V1的负极接地，待老炼光耦输入单元的负极端接地；

所述输出端限流稳压差模块的一端接输出直流电源V2的正极，输出端限流稳压差模块的另一端接待老炼光耦输出单元的正极端，输出直流电源V2的负极接地；

所述输出电流采样模块的一端接待老炼光耦输出单元的负极端，另一端接地；

所述输出端恒流控制模块的输入端并联在输出电流采样模块的两端，正输入端接待老炼光耦输出单元的负极端；所述输出端恒流控制模块的输出端并联在待老炼光耦输入单元的的两端，正输出端接待老炼光耦输入单元的正极端。

2.如权利要求1所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述输入端恒流模块的一端接输入直流电源V1的负极，输入端恒流模块的另一端接待老炼光耦输入单元的负极端及输出端恒流控制模块输出端的负极端，输入直流电源V1的负极接地，待老炼光耦输入单元的正极端接输入直流电源V1的正极。

3.如权利要求1所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述输入端恒流模块为输入端限流电阻R1，所述待老炼光耦为输出为光敏三极管的光耦OC1，所述输出端限流稳压差模块为输出端限流电阻R2，所述输出端恒流控制模块为负反馈电路，所述输出电流采样模块为输出电流采样电阻R3；

所述R1的一端接输入直流电源V1的正极，R1的另一端接OC1输入单元的正极端及负反馈电路输出端的正极端；

所述R2的一端接输出直流电源V2的正极，R2的另一端接OC1输出单元的正极端；

所述R3的一端接OC1输出单元的负极端，另一端接地；

所述负反馈电路的输入端并联在R3的两端，正输入端接OC1输出单元的负极端；

所述负反馈电路的输出端并联在OC1输入单元的的两端，正输出端接OC1输入单元的正极端。

4.如权利要求1所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述输入端恒流模块为输入端限流电阻R1，所述待老炼光耦为输出为光敏三极管的光耦OC1，所述输出端限流稳压差模块为输出端限流电阻R2，所述输出端恒流控制模块为负反馈电路，所述输出电流采样模块为输出电流采样电阻R3；

所述R1的一端接输入直流电源V1的负极，R1的另一端接OC1输入单元的负极端及负反馈电路输出端的负极端；

所述R2的一端接输出直流电源V2的正极，R2的另一端接负反馈电路的正输入端；

所述R3的一端接负反馈电路的正输入端，另一端接负反馈电路的负输入端；

所述负反馈电路的负输入端接OC1输出单元的正极端，OC1输入单元的负极端接地。

5.如权利要求3或权利要求4所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述R1、R2、R3采用精密金属膜电位器。

6.如权利要求3或权利要求4所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述R1、R2、R3采用数字电位器。

7.如权利要求3所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述负反馈电路为NPN三极管Q2组成的共射极电路，负反馈电路的输入端为BE极，负反馈电路的输出端为CE极；所述NPN三极管Q2为2N3904。

8.如权利要求3所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述负反馈电路包括由PNP三极管Q1、NPN三极管Q2，Q1的基极与Q2的集电极连接，Q1的集电极与Q2的发射极连接并接地，负反馈电路的输入端为Q2的BE极，负反馈电路的输出端为Q1的CE极；所述PNP三极管Q1为2N3906,所述NPN三极管Q2为2N3904。

9.如权利要求3所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，负反馈电路由运算放大器A1实现，负反馈电路的输入端A1的输入端，负反馈电路的输出端为A1的输出端。

10.如权利要求9所述的一种光电耦合器输出端恒功率老炼电路，其特征在于，所述运算放大器A1为高输入阻抗高精密运算放大器。

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