光耦隔離對SPI通訊方式影響的研究

陶敬榮，蔣夢影

（浙江八達電子儀表有限公司，金華 321018）

SPI是一種高速的，全雙工、同步的通信總線，且在芯片的管腳上最多只占用四根線，節約了芯片的管腳，且主從設備通信時都是使用主設備提供的時鐘信號，通訊可靠，如今越來越多的芯片集成了這種通信協議。在一些需要隔離的電路中進行SPI通信時，使用光耦對信號進行隔離，是目前可靠且經濟有效的一種方式。但是在實際應用中，由于光耦的傳輸延時大、電流傳輸比CTR值較離散及光耦內的發光二級管發光強度會減弱等原因，會造成難以預料的故障及隱患，也易造成難以挽回的經濟損失。對此，探討光耦隔離方式對SPI通信的影響有著重要意義。

1 光耦傳輸延時對SPI通信的影響

下面以SPI的時鐘波形為例，簡要分析光耦的延時特性對SPI通信的影響，見圖1：R35=1KΩ，R24=1KΩ，室溫條件測試，圖樣中使用的光電耦合器型號為臺灣地區某品牌的EL816D，電流傳輸比（簡稱CTR值）為300%-600%檔。圖1中DVDD和VDD均為5V，光耦的Vf約為1.2V，可以算出，IF=（5V-1.2V）/1K=3.8mA，Ic≈5V/1k=5mA，實際Ic/If=5mA/3.8mA=132%。從圖2中可以看出：在常溫條件下，光耦輸出端MCLK信號比輸入端METERICCLK信號延時了約40us，即光耦的關斷延時時間Toff約為40us（示波器中上升延時），而光耦的導通延時Ton（示波器中下降延時）則小得多，相較于Toff的延時幾乎可以忽略不計。在高溫環境下，光耦的Toff值更大。當采用光耦隔離進行SPI通信時，SCLK和MISO信號的光耦延時進行了疊加，導致SPI通信速率難以提高的主要因素是光耦的關斷延時時間Toff。在無隔離條件下，SPI通信速率最高可以達到10Mb/s；而采用了光耦進行隔離后，由于受光耦的關斷延時時間Toff的影響，SPI的通信速率只能降到幾Kb/s；只能達到最高速率的千分之一左右。

圖1 （CLK信號的隔離原理圖）

圖2 通道1（黃色）METERICCLK 的波形；通道3（紫色） MCLK信號波形

2 光耦的CTR值衰減是產品壽命的重要考量因素

由于光耦是通過光進行信號傳遞，光耦內部的LED發光強度會隨著長時間工作而逐步降低，光耦的工作電流越大，環境溫度越高，使用壽命就越短，在25攝氏度條件下，If=5mA時，CTR值下降20%需要350000小時，而If=10mA時，CTR值下降20%只需要100000小時；光耦工作在10mA時的壽命只有在5mA壽命的三分之一。在55攝氏度環境下，光耦工作在10mA時，CTR值下降20%只需要40000小時；使用壽命只是常溫環境的40%。因此，采用光耦對SPI信號進行隔離傳輸時，要充分考慮光耦CTR衰減對產品使用壽命的影響，這種影響是極其隱蔽和有害的，也往往被產品設計人員所忽視。

3 減小光耦對SPI通信影響的主要措施

（1）選擇合適的電流傳輸比CTR值，可有效降低光耦的延時時間，當圖1中的R24取值2K時，If=（5V-1.2V）/1K=3.8mA，Ic≈5V/2k=2.5mA，Ic/If=76%。光耦的關斷延時時間Toff約為20us，降低了一半。因此，給電路匹配一個合適的參數，可以有效降低Toff值，從而提高SPI的通信速率。

（2）根據光耦的延時特性，通過調整SCLK信號的占空比，可以有效提高SPI的通信速率和產品可靠性。由于慣性思維，設計人員往往將信號的占空比設置為50%，即信號的高電平和低電平持續時間一致。由于光耦對信號的延時主要是由于Toff值的影響，而導通延時Ton相對于Toff延時幾乎可以忽略。如下圖所示，通過提高信號的占空比，在SPI傳輸波特率保持不變的情況下，通過減少低電平的持續時間來延長高電平持續時間，用以抵消光耦Toff延時時間，在不降低SPI通信速率的情況下，可以有效減少光耦Toff值對SPI通信的影響，從而有效的提高了SPI通信的可靠性。

4 結束語

本文討論了光電耦合器隔離對SPI通訊方式的影響。通過深入分析光耦的特性，在設計產品時通過配置合適的電流傳輸比CTR值或調整信號占空比，可以有效提高SPI通訊的可靠性，也可避免光耦在長期運行或者高溫環境下由于CTR值的衰減而導致產品出現批量故障，避免給企業及社會造成不必要的經濟損失。