如何延長(zhǎng)光耦壽命？

電源適配器、家電用品、智能手機(jī)的充電器——這些都是需要在兩個(gè)電路之間進(jìn)行電氣隔離的應(yīng)用。電氣隔離可以通過使用譬如變壓器、電容和光耦等不同的方式來實(shí)現(xiàn)。

光耦的好處是能夠消除阻抗失配，并且可以在較小的封裝尺寸中實(shí)現(xiàn)高隔離電壓和極佳的抗噪聲性能。此外，光耦還可以用于傳輸直流和交流信號(hào)、模擬和數(shù)字信號(hào)，以及中低頻信號(hào)。

光耦在電路中的主要任務(wù)分別是：將使用者與危險(xiǎn)的電氣系統(tǒng)隔離開、將低壓控制電路與高壓電路隔離開、為電路系統(tǒng)提供過壓保護(hù)。

光耦的結(jié)構(gòu)

最簡(jiǎn)單的光耦合器是由紅外 LED與光電晶體管耦合形成的，因?yàn)橛晒鈱?shí)現(xiàn)耦合，故二者之間可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離。當(dāng) LED 發(fā)光時(shí)，光電晶體管會(huì)產(chǎn)生電流，電流強(qiáng)度與光強(qiáng)度成正比。

市面上有兩種類型的光耦合器：直流輸入型光耦和交流輸入型光耦。直流輸入型光耦在輸入側(cè)僅有一個(gè) LED，因此只能輸入單向電流。這種光耦通常用于開關(guān)應(yīng)用。

交流光耦具有兩個(gè)反向并聯(lián)的 LED，使得輸入電流能夠雙向流動(dòng)，從而使每半個(gè)周期的交變輸入信號(hào)都能輸出一個(gè)半波。

圖1：左：直流光耦；右：交流光耦

如何選擇合適的光耦合器？

隔離電壓是一個(gè)重要參數(shù)，該參數(shù)由爬電距離、電氣間隙和絕緣厚度（或者可以說是封裝厚度）決定。不同的封裝尺寸和類型以及各種引腳類型（DIP4、SOP4、LSOP4、THT 和 SMT 封裝等）使得工程師能夠?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用選擇合適的元件。

CTR——光耦的重要參數(shù)

描述光耦性能的一個(gè)重要參數(shù)是電流傳輸比 CTR。它的定義是光電晶體管產(chǎn)生的電流 I_C與流過 LED 的電流 I_F的比值。

為了使產(chǎn)品能夠穩(wěn)定工作，當(dāng)電路設(shè)計(jì)中包含光耦時(shí)，一定要了解 CTR 值會(huì)受環(huán)境溫度的影響以及會(huì)隨時(shí)間推移不斷降低。

伍爾特電子光耦產(chǎn)品線的 CTR 值涵蓋 50% 到 600%，劃分為不同的區(qū)間范圍，客戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行選擇。

如何延長(zhǎng)壽命？

哪些參數(shù)會(huì)影響光耦的壽命？

電路設(shè)計(jì)的主要考慮因素之一是預(yù)期壽命，它取決于產(chǎn)品本身以及其中所包含的單個(gè)元件的壽命。在考慮元件時(shí)，有些元件可能會(huì)完全失效或隨著時(shí)間的推移性能下降。對(duì)于光耦合器而言，CTR 性能會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，具體情況取決于工作條件。

光耦的壽命可能會(huì)超過幾十年，因此需要使用更嚴(yán)苛的條件來加速壓力測(cè)試。

對(duì)于可靠性測(cè)試而言，縮短壓力測(cè)試的時(shí)間并預(yù)測(cè)正常使用條件下的最終壽命是非常有意義的。在更高的溫度和電流的條件下測(cè)試光耦時(shí)，器件老化的過程比在正常工作條件下要快得多。

CTR 的老化速度取決于工作時(shí)的正向電流 I_F 和工作時(shí)的環(huán)境溫度TA。需要注意的是，可以通過降低 LED 的工作溫度并降低驅(qū)動(dòng)正向電流來減緩 CTR 老化。

圖2：正向電流對(duì)于預(yù)期CTR 老化率以及工作時(shí)間的關(guān)系?，F(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù)：100% 占空比、80°C 環(huán)境溫度、正向電流如圖所示。壓力測(cè)試參數(shù)：1000 小時(shí)測(cè)試，110°C 測(cè)試溫度，30 mA 正向電流。

圖3：溫度對(duì)于預(yù)期CTR 老化率以及工作時(shí)間的關(guān)系。現(xiàn)場(chǎng)工作參數(shù)：100% 占空比，5 mA 正向電流，環(huán)境溫度如圖所示。壓力測(cè)試參數(shù)：1000 小時(shí)測(cè)試，110°C 測(cè)試溫度，30 mA 正向電流。

如何延長(zhǎng)光耦的使用壽命

根據(jù)上述可靠性數(shù)據(jù)，我們建議采用以下方法來延長(zhǎng)光耦的使用壽命： 

1. 減少光耦的有效工作時(shí)間

2. 降低 LED 二極管的工作電流和功耗

3. 避免 LED 經(jīng)受峰值瞬態(tài)電流

4. 調(diào)整 LED 的占空比，以保持較低的平均電流

此外，對(duì)于需要高可靠性的關(guān)鍵產(chǎn)品，例如醫(yī)療設(shè)備，光耦器件的可靠性可以通過老化篩選工序來進(jìn)一步提高。但為了避免設(shè)備被損壞，進(jìn)行該工序時(shí)的老化參數(shù)應(yīng)控制在最大額定值以下。