光耦隔離芯片失效分析研究

劉洋，楊琳，彭娟娟，彭婧

（1.武漢電力職業技術學院 電力工程系，湖北 武漢 430079；2.武漢電力職業技術學院 建設管理工程系，湖北 武漢 430079；3.武漢電力職業技術學院 技術技能培訓部，湖北 武漢 430079；4.武漢電力職業技術學院 機電工程系，湖北 武漢 430079）

0 引言

光耦合器（opticalcoupler），也稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。光耦通過發光器將輸入端的電信號轉化為光信號后傳輸給受光器，受光器接收光信號后產生光電流，經過放大后從輸出端輸出，從而實現輸入與輸出端信號的耦合。由于光耦的工作過程實質上是“電-光-電”的轉化，信號的傳輸是單向性的，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力[1-2]。除此之外，光耦結構簡單，工作穩定、使用壽命長、傳輸效率高、具有較強的共模抑制能力，在數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大提高計算機工作的可靠性。因此，光耦合器已被廣泛應用于各類電路、元件及設備中。然而隨著光耦的使用越來越廣泛、集成規模的增大，其發生失效的概率也越來越大，并呈現出復雜、不穩定的特點[3-5]。

光耦常見的失效模式機理對應的激活能及壽命模型，一般都具有獨立性和局限性，實際應用的光耦在使用過程中存在諸多不穩定的失效現象，需要針對性地進行失效分析[6-7]。

1 失效現象

5242B伺服控制板串口收發芯片SP3232EY后端光耦隔離芯片PS9121在高低溫實驗過程中失效，具體現象描述如下：在進行600℃高溫實驗時，數字隔離光耦PS9121無法正常工作，串口信息無法由光耦原邊傳遞到光耦副邊，電機無法按照STM32F103VCT6 MCU所發送的控制指令正常工作；當溫度降低到室溫之后，5242B控制板重新上電之后，數字隔離光耦PS9121恢復正常工作狀態；當拆除PS9121之后，將光耦原邊副邊信號短接，再次進行600℃高溫實驗，串口數據信息可以正常的收發，電機運行正常。

由以上實驗表征判斷5242B伺服控制板功能異常由光耦器件PS9121引起。

2 失效原因假設

5242B光耦外圍電路模塊圖如圖1所示。

圖1 5242B 光耦外圍電路模塊圖

由高溫條件下PS9121發生失效，溫度降到室溫后又恢復到正常工作狀態可知，PS9121并未發生永久性熱損壞現象。對光耦失效原因做出如下假設。

2.1 帶寬

假設高溫導致PS9121的寬帶發生變化，進而導致光耦失效。PS9121的datasheet顯示其帶寬為High-speed（15Mbps），因此這個導致PS9121失效的因素可以忽略。

2.2 IF臨界值較小

如圖1所示，在原邊信號線上串入了510歐姆的電阻，在圖中標號為R105、R109、R113以及R117，PS9121的推薦工作參數如圖2所示。

圖2 PS9121 推薦工作參數

由圖2可知，datasheet要求IF的最小電流為6.3mA，圖1中當原邊TXD的信號為低電平時，電流值為6.47mA，接近設計臨界值，考慮在高溫實驗過程中原邊發光二極管阻值增大會導致副邊輸出電流驅動能力不夠，導致引起通信信號異常。

2.3 溫度影響CTR值的變化

PS9121在其datasheet內并沒有對溫度對CTR的影響進行說明或者用相應的圖表進行表示，只考慮高溫對CTR的影響是否會對光耦的工作性能產生影響。

3 失效模擬實驗

3.1 溫度對IF的影響

如果高溫下，CTR值未發生變化，原邊阻值發生變化導致IF減小，導致副邊驅動電流減小。當原邊信號為低電平時，光耦副邊在導通狀態下表現為弱下拉，則有可能表現為高電平（我司光耦按照正邏輯設計使用），通信出現異常。為了模擬高溫下這種情況的出現，將原邊信號線上所串入的R105、R109、R113以及R117阻值增大，阻值分別增大到1K和10K時，觀察原邊和副邊信號波形如圖3和圖4所示（通道1為原邊信號波形，通道2為副邊信號波形，通道1和通道2的信號基準重合）。

圖3 信號線上阻值為1K 時原邊以及副邊信號波形

圖4 信號線上阻值為10K 時原邊以及副邊信號波形

由圖3和圖4可知，當信號線上阻值在高溫情況下即使發生變化，光耦也不會發生失效，IF設計比較臨界導致光耦失效的原因可以排除。

3.2 溫度對CTR值的影響

為了驗證在高溫下，CTR值是否發生變化，在3.1實驗的基礎上，采用熱風槍模擬5242B控制板在高溫實驗下的工作狀態，并使用萬用表實時監控5242B的溫度變化情況。實驗觀察到隨著溫度的變化，光耦副邊信號波形逐漸抬升，當溫度升高到71℃時，實驗過程如圖4所示。

圖6 57.1℃時光耦副邊信號波形

圖7 66.7℃時光耦副邊信號波形

由圖5～9可以看出，隨著溫度的升高副邊信號的變化趨勢，在37.0～66.7℃溫度范圍內，光耦副邊信號略有衰減，但是低電平仍然在CMOS電平所規定的低電平的容限范圍內，光耦可以正常工作；但當溫度升高到70.1℃時，圖8中信號的包絡線（綠色直線部分）光耦副邊波形已經接近1V，已經超過了CMOS電平所規定的低電平的容限范圍，此時光耦已經無法正常工作，串口出現通信異常；當溫度升高到76.4℃時，圖9中信號的包絡線（綠色直線部分）光耦副邊波形已經接近2V，超過了CMOS電平所規定的低電平的容限范圍，光耦無法正常工作。

圖5 37.0℃時光耦副邊信號波形

圖8 70.1℃時光耦副邊信號波形

圖9 76.4℃時光耦副邊信號波形

4 結論

光耦隔離器件在接口上的應用旨在消除外部系統對內部系統之間的串擾，設計過程中不僅要考慮其功能的簡單實現，還要考慮EMC實驗以及高低溫實驗對其造成的影響。本項目即是在高溫實驗中光耦的CTR參數不滿足要求，造成了伺服控制板的功能失效，因此在光耦選型的過程中要對其工作溫度范圍這一參數要留有足夠的余量。通過實驗可以確定PS9121失效的原因是高溫導致CTR值的變化，PS9121穩定工作時，高溫容限只能到66.7℃。

5 解決方案

針對PS9121失效的原因，提供以下解決方案可供參考。

（1）直接將PS9121從PCB板上去除，將原邊信號與副邊信號短接，這種方法效率最高，但PS9121的去除后無法將原邊信號與副邊信號進行隔離，增加后續EMC實驗的風險。

（2）重新進行光耦器件的選型，進行pin-to-pin替換，選型時候注意溫度范圍、熱阻等參數，這種方案可靠性比較高，但是需要對產品重新測試。

（3）PCB布局時，將功耗較高的器件遠離光耦，必要時可以考慮增加風扇進行散熱，這種措施對結構提出了要求，且風扇的安裝位置以及風扇的功率需要進行實驗確定，會增加額外的產品成本。