高速光耦瞬態共模抑制性能的電路仿真方法

高會壯+王香芬+張芮+黃姣英

摘 要： 為了解決高速光電耦合器的瞬態共模抑制不能準確測試的問題，研究了光耦的耦合機理和瞬態共模抑制的測試原理。利用仿真技術對電路功能及瞬態共模抑制評估電路的耦合參數（包括耦合電阻與耦合電容）進行仿真和驗證，分析了電路中的不同器件參數對仿真結果的影響，并且對得到的輸出波形的數據進行讀取與分析。以HCPL?2611為例，使用大電阻和小電容并聯的模型模擬實際中的耦合情況，通過仿真分析確定了耦合電容的大小，驗證了高速光耦瞬態共模抑制仿真方法的有效性。

關鍵詞： 瞬態共模抑制； PSpice仿真； 高壓脈沖； 耦合參數； 耦合電阻； 耦合電容

中圖分類號： TN364+.2?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0060?05

Abstract： To resolve the problem that the common mode transient immunity （CMTI） of high?speed optocoupler cannot be accurately tested， the coupling mechanism of the optocoupler and the testing principle of CMTI are researched. The simulation technology is adopted to simulate and verify the circuit function and coupling parameters （including coupling resistance and coupling capacitance） of the CMTI evaluation circuit. The effects of different device parameters in the circuit on simulation results are analyzed， and the obtained data of output waveforms is read and analyzed. Taking HCPL?2611 as an example， the model of parallel connection of large resistance and small capacitance is adopted to simulate the coupling condition in practice. The size of coupling capacitance is determined and the effectiveness of high?speed optocoupler CMTI is verified by means of simulation analysis.

Keywords： common mode transient immunity； PSpice simulation； high?voltage pulse； coupling parameter； coupling resistance； coupling capacitance

0 引 言

高速光電耦合器作為數字隔離器件的一類，是以光作為傳輸媒介實現信號的傳輸，同時對信號進行隔離。其原理是利用一個發光二極管LED將電信號首先轉化為光信號，而后經過光敏管重新轉化為電信號并輸出，這種傳輸模式能夠將輸入與輸出進行有效的電氣隔離[1]。

一般光耦都有一定的抗干擾能力，可以將外部輸入信號中的高頻干擾信號過濾掉，相當于電容的作用。并且光耦的電源和電路中的電源是隔離的，外部電源波動也不會對電路產生影響，這就使得它可以在一定程度上保護電路、抑制噪聲[2]。

隨著數據速率的提高，在高轉換速率下，高速光耦對瞬態共模干擾并不能完全抑制，共模干擾有可能通過耦合竄入輸出，破壞數據轉換，通過隔離地平面之間的電容提供這些快速瞬態信號的路徑，使輸出波形退化。衡量高速光耦的兩個隔離地之間抗高速噪聲能力的指標稱為瞬態共模抑制（CMTI），用來表征高速光耦高速數據傳輸下對隔離柵中的電壓噪聲的抑制能力[3]。

另外，在長期貯存狀態下，由于溫度應力、濕度應力、機械應力、化學應力以及設備電源通斷產生的應力這些非工作狀態下的環境應力因素的影響，可導致光耦產生失效，而影響共模抑制能力[4]。為了更全面地了解光耦對傳輸過程中所產生噪聲的抑制性能，更好地對CMTI進行評價，以保證在使用中的可靠性[5]。在研究高速光電耦合器的耦合原理及CMTI測試原理基礎上，通過仿真方法，分析外圍電路元件匹配及各雜散參數對光耦輸出的影響，為實際評價時的電路設計提供基礎，進而為實際工程準確的CMTI電路測試提供依據[6]。

PSpice作為一款廣泛使用的仿真軟件，是由SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）發展而來，是一種通用的電路分析程序[7]。該軟件可以實現電路圖編輯，并將所需仿真激勵源添加至電路，根據實際電路性能調節參數，利用軟件集成的圖形后處理功能，以電路圖的方式輸入，自動進行電路電氣檢查、模擬和計算電路。PSpice利用多種仿真模式分析電路的性能，可以將仿真與電路原理圖緊密的聯系在一起。在電路分析中，能夠達到對電路動態仿真的需求。軟件內部自帶的仿真模型庫都是按照實際特性建立的，所以具有真實性，以保證仿真出來的輸出波形與實驗電路的測試結果相一致[8]。本文利用PSpice仿真，以HCPL?2611型高速光電耦合器為對象，對評價電路及耦合參數進行仿真和驗證，分析電路中的不同器件參數對仿真結果的影響，驗證了此仿真方法的有效性。endprint

1 CMTI定義及測試原理

1.1 CMTI參數定義

CMTI是衡量一個隔離器在數據通信不被噪聲打斷的情況下，對隔離柵中的電壓噪聲的抑制能力。為了表征CMTI，根據其受影響的應用場合及實際的解決方法，定義兩個參數：VCM為共模瞬態電壓；dv/dt為共模瞬態電壓的上升或下降的速率。共模信號的定義如圖1所示。

瞬態共模抑制可以分解為兩個參數：高電平的瞬態共模抑制[CMH]和低電平的瞬態共模抑制[CML]，[CMH]是在共模脈沖VCM上升沿，保證輸出為高電平（VOUT>2.0 V）的所能容忍的電壓變化比率dv/dt。[CML]是在共模脈沖VCM下降沿，保證輸出為低電平（VOUT<0.8 V）的所能容忍的電壓變化率[9]dv/dt。

1.2 CMTI測試原理

測試CMTI的方法是在兩個相互隔離的電源地之間施加脈沖激勵，使輸出產生干擾波形，計算后得到相應的共模抑制數值。HCPL?2611測試原理電路如圖2所示。

由圖2可知，當開關放在A處，使發光二極管處于非工作狀態，同時將使能端接在高電平上，輸出是高電平。當VCM加到兩個地之間，在脈沖的上升沿作用下輸出波形有向下的干擾出現，調節脈沖輸入的電壓與上升時間和下降時間，根據輸出波形的干擾情況計算相應CMH。

相應的當開關處于B處，此時設置適當的電壓VFF與電阻可以使發光二極管導通，輸出變為低電平。在脈沖的下降沿作用下輸出波形有向上的干擾出現，通過調節可以計算相應CML。

2 CMTI仿真電路設計

利用PSpice仿真軟件的仿真流程：根據原理電路畫出仿真電路圖；設置各器件參數；運行仿真，并分析結果；調節電路參數直到結果符合要求[10]。

2.1 器件結構及器件參數分析

HCPL?2611為單通道光耦，內部結構如圖3所示。

與一般光耦原理類似，該型號光耦也是在電信號送入輸入端時，發光二極體通過電流而發光，光敏元件受到光照后產生電流，通過電?光?電的轉換傳輸信號。圖3中，8個引腳中的1和4上標有N/C表示懸空，對電路不起作用，2，3之間有一只發光二極管，右邊電路包含一只光敏二極管和一個放大電路。通過查閱數據表可知其特性：轉換速率高達10 Mbit/s；理論共模抑制為10 000 V/μs；扇出系數為8；邏輯電平輸出；集電極開路輸出。輸入電流[IFmin=6.5 mA]，[IFmax=15 mA]，當[IFmin≤IF≤IFmax]時光耦輸入為高；[IFmin=0 μA]，[IFmax=250 μA]時，輸入為低。

光電耦合器的隔離性能指輸入端和輸出端之間實現電隔離，而其輸入端和輸出端間的電隔離程度取決于兩部分供電電源之間的絕緣電阻，同時與發光二極管和光敏管之間的耦合電容相關。該電容約為2 pF，典型的絕緣電阻值一般能達到1011～1012 Ω。

2.2 仿真電路搭建

根據光電耦合器隔離性能的影響因素，將內部管腳之間的耦合關系等效為一只小電容并聯一個大絕緣電阻，絕緣電阻的值選取[1012]Ω。由于光耦的PSpice模型是理想模型，需要將耦合電阻與耦合電容設置進去。耦合電容的值通過PSpice的參數仿真功能和對芯片的實際測量以及典型光耦耦合電容值的范圍共同確定[11]。由圖2所示的原理圖，建立仿真電路形式如圖4所示。

通過調節VFF和R1的值共同確定輸入電流[IF]。耦合參數中包含大電阻R3與小電容C2，在一定脈沖條件下通過對電容C2、電阻R3的調節模擬實際使用或者測試中的耦合干擾。

3 電路功能驗證與耦合電容計算

3.1 電路功能仿真與驗證

建立HCPL?2611電路仿真模型，對CMTI耦合參數進行仿真與驗證，根據真值表確定該仿真電路的正確性，器件的真值表如表1所示。

當輸入電流為7.5 mA的高電平，使能端為N/C時，電路圖如圖5a）所示，仿真后輸出如圖5b）所示。圖5b）中上面直線為輸出波形，VO=631.849 mV，符合真值表中所示的輸出為低電平。

將使能端分別接為高電平和低電平，輸出結果與真值表一致。用類似的方法驗證輸入為低電平時的情況，結果符合真值表。

仿真結果表明電路模型正確，仿真結果符合CMTI評價要求。

3.2 CMTI耦合電容計算

高速光耦HCPL?2611在干擾脈沖作用下理論輸出波形圖如圖6所示。

其中，第一條是施加的脈沖波形VCM；第二條是在輸出高電平的情況下，輸出在VCM干擾脈沖上升沿產生的干擾波動；第三條是在輸出為低電平時輸出在VCM干擾脈沖下降沿產生的干擾波動。

3.2.1 輸出高電平耦合電容的計算

根據芯片隔離特性，將耦合參數中的耦合電阻值設為1012 Ω。利用精密LCR表測試HCPL?2611中VCC與D/A管腳之間的電容值為1.011 656 pF，同時根據芯片HCPL?2611的隔離特性，輸入與輸出之間的電容值為0.6 pF。綜合這兩方面，在輸出高電平的情況下，利用PSpice的參數仿真功能確定耦合電容。其中，參數確定標準為，當[CMH]處于10 000 V/μs時，干擾曲線的電壓最小值大于2 V且接近于2 V，且當[CMH]高于10 000 V/μs時出現干擾，低于10 000 V/μs時不出現干擾。

仿真電路如圖4所示，首先將電容C2值設定為1 pF，4 pF，7 pF三個梯度，觀察是否出現正確的干擾曲線和電壓最小值的大小。

仿真結果如圖7所示，出現三條不同的曲線，每種曲線代表當[CMH]為10 000 V/μs時不同電容值情況下產生的干擾曲線。

從圖7中可知，虛線與圖6中輸出高電平干擾波形一致，確定輸出高電平時的耦合電容為2.74 pF。在[CMH]為10 000 V/μs的情況下，輸出最小電壓值是2.172 1 V。根據仿真參數估計結果將耦合電容值設定為2.74 pF。endprint

3.2.2 輸出低電平耦合電容的計算

由于輸出高電平和輸出低電平是兩種不同的情況，重新進行耦合電容的估計。采用相同方法得到輸出低電平時耦合電容值近似為30.84 pF。

4 仿真驗證

4.1 輸出高電平

當輸入電流值不大于250 μA時，這里設輸入電壓VFF為1.4 V，二極管不導通，此時的輸出為高電平5 V。電容C2為2.74 pF，脈沖的具體變化參數設置為低電壓V1=0，脈沖電壓V2=1 000 V，根據脈沖發生設備AVRQ?4?B的說明延遲時間設為TD=50 ns且脈沖寬度設為PW=1 000 ns，上升時間TR=100 ns，下降時間TF=100 ns，脈沖周期精確設為上述參數值的和PER=1 250 ns。仿真電路圖如圖4所示，干擾曲線放大為圖8，其中輸出最低電壓為2.172 1 V。

對比圖6中的輸出高電平干擾曲線（第二條），結果一致。根據[CMH=dvdt=1 000 V100 ns=10 000 V/μs]，這和器件手冊中提供的[CMH]范圍一致。當V2=1 100 V，即[CMH]大于芯片最大瞬態共模抑制參數時，得到輸出電壓最小值為774.233 mV，遠低于2 V。上升沿時間不變，當V2低于1 000 V即[CMH]低于芯片最大瞬態共模抑制參數時，干擾最小電壓值均大于2 V，且隨著V2值的變小，干擾變弱。取V2=700 V，結果最低電壓為4.893 8 V。

4.2 輸出低電平

輸入電流為6.5～15 mA時，這里將輸入端電壓VFF調為6.5 V，發光二極管導通，輸出為低電平，并且在脈沖下降沿會產生向上的干擾。電容C2為30.84 pF，脈沖的具體變化參數有電壓V1=0，脈沖電壓V2=1 000 V，脈沖寬度設為PW=1 000 ns，根據芯片手冊中響應時間總小于50 ns，在此為了出現更優的波形，延遲時間TD設為100 ns，上升時間TR=100 ns，下降時間TF=100 ns，脈沖周期精確為PER=1 300 ns。仿真電路圖如圖4所示，仿真結果為輸出最大值是3.847 2 V，干擾曲線放大圖如圖9所示。

對比圖6中的輸出低電平干擾曲線（第三條），結果一致。但是輸出已經超過0.8 V，所以此時實際的[CML]稍低于[10 000 V/μs]，也符合器件手冊中提供的[CML]范圍。

當提高干擾脈沖變化速率時，例如V2=1 200 V，仿真波形產生向上的干擾，其最大值為5 V。當降低變化速率時，例如V2=700 V，輸出端曲線保持在低于660 mV的低電平，且未產生干擾。

綜上，從耦合參數設置可以看出，大電阻并聯小電容的形式最符合光耦實際的耦合干擾情況，結果接近于理論分析。

5 結 論

本文中通過對HCPL?2611型高速光耦的瞬態共模抑制進行研究，提出瞬態共模抑制參數仿真方法，利用PSpice仿真得出對CMTI電路和耦合參數進行仿真，基于測試原理實現了器件CMTI性能仿真分析。利用大電阻并聯小電容的形式來仿真高速光耦實際的耦合情況，可以更準確地進行對器件CMTI性能的仿真。通過仿真結果分析，驗證了該仿真方法的有效性。

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