CN113533898A - 一种批量光电耦合器老炼电路 - Google Patents

Abstract

一种批量光电耦合器老炼电路，包括输入端电源V1、输出端电源V2、输入端恒流模块、输出端恒流模块、输出端采样模块、被老炼光耦、限流保护模块、单向导通模块、老练显示模块、故障警示模块。输出端采样模块的一端与V2正极连接，另一端通过老炼显示模块连接到光耦输出单元的正极端，光耦输出单元的负极端与限流保护模块的高电平输出端连接；V1正极通过输入端恒流模块分别连接到限流保护模块和光耦输入单元的正极端；光耦输入单元的负极端通过单向导通模块连接光耦输出单元的负极端；故障显示模块并联在限流保护模块的高电平输出端和低电平输出端。解决了现有光耦老炼电路老炼功率不稳定、批量老炼串扰的问题。适用于批量性光耦老炼。

Description

一种批量光电耦合器老炼电路

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

在需要电气上物理隔离的场合，常用光电耦合器(简称光耦)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，通常输入端为电光转换模块，如发光二极管LED、激光二极管LD等；输出端为光电转换模块，如光敏三极管、光接收二极管PD等。

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规定的正向电流I_F，同时对输出端的光敏三极管施加规定的V_CE,使其达到额定功率(P_CM)进行老炼。

图1为现使用的光耦(OC1)输出端老炼电路，其工作原理为：调节输出端电压V2到规定的V_CE电压值(通常为击穿电压的0.6—0.75倍之间)；Ros为输出端采样电阻，它的两端电压即为I_C电流在R_OS上产生的电压降；再调节V1电压和输入端采样电阻Ris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。

由于光耦在生产过程中存在一定的个体一致性和批次重复性问题，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；同一批次同型号光耦，在CTR这个参数上，存在个体差异，若具体到每一只光耦，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。

在批量生产中，给成百上千只光耦进行功率老炼时，需要将图1电路做成百上千次的并联处理，存在相互串扰的问题。若给每只光耦施加的V1、Ris、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Ris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CTR温度变化而产生波动的问题。

由于存在输出端老炼功率不稳定的问题，在实际老炼中，出现输出端光敏三极管短路、断路以及老炼电路中串联电阻Ros损坏等问题。

因此，现有技术中，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；电路中没有保护措施，导致功率波动严重时，光敏三极管直接损坏。

对于完成输出端老炼的光耦，从质量控制的角度来看，光敏三极管直接损坏的光耦还属于较好的一种情况，因其被剔除，不会对供货产品造成质量隐患；但还存在这样一种情况：输出端功率超过P_CM额定值，即输出三极管已经承受了过电应力，但还未失效，此时的参数检测可能并不能剔除这些光耦，它们将混入合格产品中，这对产品的质量控制是极为不利的，因为这种遭受过电应力的光耦的寿命是不稳定的，从质量管控上，尤其要避免此种情况的发生，但现使用电路只会导致此种情况发生而不能避免或防范，反而给老炼后的光耦带来不可控的可靠性隐患。

为此，特提出本发明。

发明内容

本发明旨在解决现有光电耦合器老炼电路中存在如下问题:

(1)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。

(2)电路中没有保护措施，导致功率波动严重时，光敏三极管直接损坏。

(3)批量性老炼中，每个老炼单元的可并联性以及并联后的相互串扰问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术构思是：

每个老炼单元的输入端电源V1、输出端电源V2为共用电源，以解决每个老炼单元的可并联性以及并联后的相互串扰问题，避免采用每个光耦的输出端电源对每个光耦进行单独限流；现有老炼电路中，当出现输出三极管短路时会烧毁整个老炼电路，若对输出三极管I_C进行恒流，当多只光耦按图1电路并联老炼，且输入端I_F电流均一致时，光耦CTR的差异性与恒流电路共同作用，导致每只光耦输出端V_CE电压不一致，其CTR差异越大，则V_CE电压的差异也越大。若设恒流电路的恒流值为I_S，则当I_C＝I_F×CTR且小于I_S时，恒流电路不工作，恒流电路两端电压较小，当I_C＝I_F×CTR且大于I_S时，恒流电路工作，将I_C限制为I_S，而不是I_F×CTR的值，且有这样的关系：I_F×CTR的值越大，则恒流电路两端的电压越高，因多只光耦在老炼电路中的I_F一致，则CTR的差异以及自身发生的变化将使其输出端V_CE电压不一致。所以，不单独对I_C恒流，而是对I_F与I_C的总电流恒流，从而防止回路电流过大，进而损坏回路中的元器件。

为此，本发明提供一种批量光电耦合器老炼电路，如图2所示。包括输入端电源V1、输出端电源V2、输入端恒流模块、输出端恒流模块、输出端采样模块、被老炼光耦、限流保护模块、单向导通模块、老练显示模块、故障警示模块。

所述被老炼光耦、限流保护模块、单向导通模块、老练显示模块、故障警示模块组成光耦单元老炼电路，光耦单元老炼电路为n个，n为正整数，且n≥1。

所述输入端电源V1与输出端电源V2串联，V1的负极接地，V1的正极与V2的负极连接；V2正极通过输出端恒流模块连接输出端采样模块的一端，输出端采样模块的另一端通过老炼显示模块连接到被老炼光耦输出单元的正极端，被老炼光耦输出单元的负极端限流保护模块的高电平输出端；V1正极通过输入端恒流模块分别连接到限流保护模块的输入控制端和光耦输入单元的正极端；光耦输入单元的负极端通过单向导通模块连接到限流保护模块的高电平输出端；故障显示模块的正极连接到限流保护模块的高电平输出端，故障显示模块的负极连接到低电平输出端；限流保护模块的接地端接地。

本发明提供一种光电耦合器单元老炼电路，如图3所示。包括：输入端电源V1、输出端电源V2、采样电阻R1、老练显示发光二极管D1、被老炼光耦OC1、隔离二极管D2、故障警示发光二极管D3、D3保护电阻R2、限流保护三极管Q1、Q1驱动电阻R3、Q1限流电阻R4。

所述输入端电源V1与输出端电源V2串联，V1的负极接地，V1的正极与V2的负极连接；V2正极通过R1接D1的正极，D1的负极接OC1的光敏三极管的集电极，OC1的光敏三极管的发射极接Q1的集电极；V1正极一路与OC1输入发端光二极管的正极端连接，另一路通过R3连接到Q1的基极；OC1输入端发光二极管的正极端连接，OC1输入端发光二极管的负极端连接D2的正极，D2的负极连接OC1的光敏三极管的发射极；R2的一端接Q1的集电极，R2的另一端按D3的正极，D3的负极与Q1的发射极连接；Q1的发射极通过R4接地。

图3所示电路的工作状态分析如下：

(1)输出端老炼功率分析

此电路光耦输出端三极管的老炼功率通过下述方程组进行计算：

解方程组得：

P_C＝I_C·(V₂-V_R1-V_D1+V_F+V_D2)

上式中V_R1为R1采样电阻两端电压，R1通常取较小阻值电阻，其两端电压控制在几十毫伏内，可忽略不计，V_D1、V_F、V_D2均为二极管正向压降，其值变化很小，可认为是一个恒定值，且V_D1约等于V_F与V_D2之和(器件选用上保证)，可相互抵消，故光耦输出端三极管的老炼功率为：

P_C≈I_C·V₂

从上式可以看到，影响P_C的主要因素是I_C和V₂，V₂由电源精度保证，仅剩下I_C是影响老炼功率P_C的因素。那么，I_C的稳定性怎么样呢？

(2)输出端I_C电流分析

由电路原理可知：

电路中将Q1设计为饱和导通，此时Q1的集电极电流与基极电流之比远小于它的放大倍数，则V_Q1CE约为0.3V，V_F、V_D2的值基本保持不变，光耦输入端二极管正向压降通常在1.1V左右，V_D2在0.6V左右，V_F与V_D2的正向压降之和约为1.7V左右。由于V_Q1CE、V_F、V_D2的值基本保持不变，则：

V_R4＝V₁-1.7-0.3＝V₁-2

可以看到V_R4电压由V₁电源电压决定，一旦V₁电压固定，则V_R4几乎上为恒定值，进而I_E恒定，电路中的电流上限被限制为I_E，不会如图1电路中那样，产生很大的电流。图1中，I_C＝I_F×CTR,CTR的差异将导致I_C电流的变化，IC电流增大导致PC功率增大，存在实际功率超出额定功率的可能，极端情况下，产品可能发生热击穿，此时回路电阻很小，进而会产生很大的电流。采用图1电路进行实际老炼时，也出现过输出端三极管击穿的现象；也有开路的现象，开路的情况是先发生短路，且回路其余元器件未被损坏，则光耦输出端三极管内部键合引线将因过流而熔断。

进一步计算I_B电流：

式中V_Q1BE约为0.7V，R3实际可选取大一些阻值的电阻，可使I_B远小于I_C，则省略I_B后可得到：

I_C＝I_E-I_F

上式中I_C与I_F的分配比例与实际光耦产品的CTR有关(按I_C＝I_F×CTR分配)，因总电流I_E保持不变，若CTR变小，则I_C将减小，I_F将增大，而I_F增大又将使I_C增大，进而保持I_C基本稳定，反之亦然。

(3)三级管Q1工作状态分析

确定Q1是否饱和导通：通过计算Q1在电路中I_C与I_B的比值，通常为几十，保险起见，可以选用放大倍数大于150倍的三极管，可保证Q1进入饱和导通状态。这些参数指标，从电路设计和器件选用上均不会有问题；对于需要更大I_C电流的光耦，可以通过减小R3来保证Q1三极管拥有足够的驱动电流。因此，图3电路中Q1是可以保证工作在饱和导通态的。

图3所示电路电路具有如下功能：

该电路同时具备以下几个方面的功能：

(1)老炼指示功能：仅D1指示灯亮表示产品正常老炼。

(2)短路指示功能：D1和D3同时亮表示光耦输出端异常，通常表现为输出端短路或电阻值很小。

(3)过流保护、短路保护功能：电路总电流限制为I_E，即便光耦输出端短路，电流也被限制为I_E，防止电流过大损坏产品和电路中其它元器件。

因此，本发明的有益效果在于：

(1)老炼功率稳定，避免了输出端三极管存在过功率或欠功率老炼的问题

(2)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。。

(3)解决了现有老炼电路存在较大比例产品直接损坏的问题。

(4)拥有短路保护、过流保护以及正常老炼指示和短路状态指示功能

(5)电路易于并联扩展，便于大批量产品的老炼，能安全、可靠地剔除早期失效产品。

附图说明

图1为原有老炼电路结构示意图。

图2为本发明批量老炼电路框图结构示意图。

图3为本发明单元老炼电路结构示意图。

图中：V1为输入端电源、V2为输出端电源、R1为采样电阻、D1为老练显示发光二极管、OC1为被老炼光耦、D2为隔离二极管、D3为故障警示发光二极管、R2为保护电阻、Q1为限流保护三极管、R3为驱动电阻、R4为限流电阻。

具体实施方式

如图3所示：

1、R4、R3的选择

针对不同的光耦，由于需求的电流是不一致的，R4、R3可采用电位器，考虑到自动控制的问题，可采用数字电位器，R4的值由需要的I_E电流和V1电压决定，R3可选取10倍左右的R4值。

2、R2的选择

R2为光耦输出端短路时，指示灯D3的限流电阻，可选取到20KΩ左右。

3、Q1的选择

Q1通常选择V_(BR)CE在大于100V，电流大于2倍IE，电流放大倍数β大于150的三极管即可。

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 (7)

1.一种批量光电耦合器老炼电路，其特征在于，包括输入端电源V1、输出端电源V2、输入端恒流模块、输出端恒流模块、输出端采样模块、被老炼光耦、限流保护模块、单向导通模块、老练显示模块、故障警示模块；

所述被老炼光耦、限流保护模块、单向导通模块、老练显示模块、故障警示模块组成光耦单元老炼电路，光耦单元老炼电路为n个，所述n为正整数，且n≥1；

所述输入端电源V1与输出端电源V2串联，V1的负极接地，V1的正极与V2的负极连接；V2正极通过输出端恒流模块连接输出端采样模块的一端，输出端采样模块的另一端通过老炼显示模块连接到被老炼光耦输出单元的正极端，被老炼光耦输出单元的负极端限流保护模块的高电平输出端；V1正极通过输入端恒流模块分别连接到限流保护模块的输入控制端和光耦输入单元的正极端；光耦输入单元的负极端通过单向导通模块连接到限流保护模块的高电平输出端；故障显示模块的正极连接到限流保护模块的高电平输出端，故障显示模块的负极连接到低电平输出端；限流保护模块的接地端接地。

2.根据权利要求1所述的一种批量光电耦合器老炼电路，其特征在于，所述光耦单元老炼电路包括：输入端电源V1、输出端电源V2、采样电阻R1、老练显示发光二极管D1、被老炼光耦OC1、隔离二极管D2、故障警示发光二极管D3、D3保护电阻R2、限流保护三极管Q1、Q1驱动电阻R3、Q1限流电阻R4；

所述输入端电源V1与输出端电源V2串联，V1的负极接地，V1的正极与V2的负极连接；V2正极通过R1接D1的正极，D1的负极接OC1的光敏三极管的集电极，OC1的光敏三极管的发射极接Q1的集电极；V1正极一路与OC1输入发端光二极管的正极端连接，另一路通过R3连接到Q1的基极；OC1输入端发光二极管的正极端连接，OC1输入端发光二极管的负极端连接D2的正极，D2的负极连接OC1的光敏三极管的发射极；R2的一端接Q1的集电极，R2的另一端按D3的正极，D3的负极与Q1的发射极连接；Q1的发射极通过R4接地。

3.根据权利要求2所述的一种批量光电耦合器老炼电路，其特征在于，所述R3、R4采用电位器。

4.根据权利要求3所述的一种批量光电耦合器老炼电路，其特征在于，所述R3、R4采用采用数字电位器。

5.根据权利要求2所述的一种批量光电耦合器老炼电路，其特征在于，所述R4的值由I_E*(V1-2)决定，所述R3的电阻值为R4的10倍左右。

6.根据权利要求2所述的一种批量光电耦合器老炼电路，其特征在于，所述R2的阻值为20KΩ左右。

7.根据权利要求2所述的一种批量光电耦合器老炼电路，其特征在于，所述Q1的V_(BR)CE大于100V，所述Q1的电流放大倍数大于150。

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