2022年12月20日 | 如何延长光耦寿命？

2022-12-20 来源：EEWORLD

电源适配器、家电用品、智能手机的充电器——这些都是需要在两个电路之间进行电气隔离的应用。电气隔离可以通过使用譬如变压器、电容和光耦等不同的方式来实现。

光耦的好处是能够消除阻抗失配，并且可以在较小的封装尺寸中实现高隔离电压和极佳的抗噪声性能。此外，光耦还可以用于传输直流和交流信号、模拟和数字信号，以及中低频信号。

光耦在电路中的主要任务分别是：将使用者与危险的电气系统隔离开、将低压控制电路与高压电路隔离开、为电路系统提供过压保护。

光耦的结构

最简单的光耦合器是由红外 LED与光电晶体管耦合形成的，因为由光实现耦合，故二者之间可以实现电气隔离。当 LED 发光时，光电晶体管会产生电流，电流强度与光强度成正比。

市面上有两种类型的光耦合器：直流输入型光耦和交流输入型光耦。直流输入型光耦在输入侧仅有一个 LED，因此只能输入单向电流。这种光耦通常用于开关应用。

交流光耦具有两个反向并联的 LED，使得输入电流能够双向流动，从而使每半个周期的交变输入信号都能输出一个半波。

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图1：左：直流光耦；右：交流光耦

如何选择合适的光耦合器？

隔离电压是一个重要参数，该参数由爬电距离、电气间隙和绝缘厚度（或者可以说是封装厚度）决定。不同的封装尺寸和类型以及各种引脚类型（DIP4、SOP4、LSOP4、THT 和 SMT 封装等）使得工程师能够为每个应用选择合适的元件。

CTR——光耦的重要参数

描述光耦性能的一个重要参数是电流传输比 CTR。它的定义是光电晶体管产生的电流 IC与流过 LED 的电流 IF的比值。

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为了使产品能够稳定工作，当电路设计中包含光耦时，一定要了解 CTR 值会受环境温度的影响以及会随时间推移不断降低。

伍尔特电子光耦产品线的 CTR 值涵盖 50% 到 600%，划分为不同的区间范围，客户可以根据不同的应用进行选择。

如何延长寿命？

哪些参数会影响光耦的寿命？

电路设计的主要考虑因素之一是预期寿命，它取决于产品本身以及其中所包含的单个元件的寿命。在考虑元件时，有些元件可能会完全失效或随着时间的推移性能下降。对于光耦合器而言，CTR 性能会随着时间的推移而降低，具体情况取决于工作条件。

光耦的寿命可能会超过几十年，因此需要使用更严苛的条件来加速压力测试。

对于可靠性测试而言，缩短压力测试的时间并预测正常使用条件下的最终寿命是非常有意义的。在更高的温度和电流的条件下测试光耦时，器件老化的过程比在正常工作条件下要快得多。

CTR 的老化速度取决于工作时的正向电流 IF 和工作时的环境温度TA。需要注意的是，可以通过降低 LED 的工作温度并降低驱动正向电流来减缓 CTR 老化。

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图2：正向电流对于预期CTR 老化率以及工作时间的关系。现场工作参数：100% 占空比、80°C 环境温度、正向电流如图所示。压力测试参数：1000 小时测试，110°C 测试温度，30 mA 正向电流。

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图3：温度对于预期CTR 老化率以及工作时间的关系。现场工作参数：100% 占空比，5 mA 正向电流，环境温度如图所示。压力测试参数：1000 小时测试，110°C 测试温度，30 mA 正向电流。

如何延长光耦的使用寿命

根据上述可靠性数据，我们建议采用以下方法来延长光耦的使用寿命：

1. 减少光耦的有效工作时间

2. 降低 LED 二极管的工作电流和功耗

3. 避免 LED 经受峰值瞬态电流

4. 调整 LED 的占空比，以保持较低的平均电流

此外，对于需要高可靠性的关键产品，例如医疗设备，光耦器件的可靠性可以通过老化筛选工序来进一步提高。但为了避免设备被损坏，进行该工序时的老化参数应控制在最大额定值以下。