高速光耦瞬态共模抑制性能的电路仿真方法

高会壮+王香芬+张芮+黄姣英

摘 要： 为了解决高速光电耦合器的瞬态共模抑制不能准确测试的问题，研究了光耦的耦合机理和瞬态共模抑制的测试原理。利用仿真技术对电路功能及瞬态共模抑制评估电路的耦合参数（包括耦合电阻与耦合电容）进行仿真和验证，分析了电路中的不同器件参数对仿真结果的影响，并且对得到的输出波形的数据进行读取与分析。以HCPL?2611为例，使用大电阻和小电容并联的模型模拟实际中的耦合情况，通过仿真分析确定了耦合电容的大小，验证了高速光耦瞬态共模抑制仿真方法的有效性。

关键词： 瞬态共模抑制； PSpice仿真； 高压脉冲； 耦合参数； 耦合电阻； 耦合电容

中图分类号： TN364+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 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

高速光电耦合器作为数字隔离器件的一类，是以光作为传输媒介实现信号的传输，同时对信号进行隔离。其原理是利用一个发光二极管LED将电信号首先转化为光信号，而后经过光敏管重新转化为电信号并输出，这种传输模式能够将输入与输出进行有效的电气隔离[1]。

一般光耦都有一定的抗干扰能力，可以将外部输入信号中的高频干扰信号过滤掉，相当于电容的作用。并且光耦的电源和电路中的电源是隔离的，外部电源波动也不会对电路产生影响，这就使得它可以在一定程度上保护电路、抑制噪声[2]。

随着数据速率的提高，在高转换速率下，高速光耦对瞬态共模干扰并不能完全抑制，共模干扰有可能通过耦合窜入输出，破坏数据转换，通过隔离地平面之间的电容提供这些快速瞬态信号的路径，使输出波形退化。衡量高速光耦的两个隔离地之间抗高速噪声能力的指标称为瞬态共模抑制（CMTI），用来表征高速光耦高速数据传输下对隔离栅中的电压噪声的抑制能力[3]。

另外，在长期贮存状态下，由于温度应力、湿度应力、机械应力、化学应力以及设备电源通断产生的应力这些非工作状态下的环境应力因素的影响，可导致光耦产生失效，而影响共模抑制能力[4]。为了更全面地了解光耦对传输过程中所产生噪声的抑制性能，更好地对CMTI进行评价，以保证在使用中的可靠性[5]。在研究高速光电耦合器的耦合原理及CMTI测试原理基础上，通过仿真方法，分析外围电路元件匹配及各杂散参数对光耦输出的影响，为实际评价时的电路设计提供基础，进而为实际工程准确的CMTI电路测试提供依据[6]。

PSpice作为一款广泛使用的仿真软件，是由SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）发展而来，是一种通用的电路分析程序[7]。该软件可以实现电路图编辑，并将所需仿真激励源添加至电路，根据实际电路性能调节参数，利用软件集成的图形后处理功能，以电路图的方式输入，自动进行电路电气检查、模拟和计算电路。PSpice利用多种仿真模式分析电路的性能，可以将仿真与电路原理图紧密的联系在一起。在电路分析中，能够达到对电路动态仿真的需求。软件内部自带的仿真模型库都是按照实际特性建立的，所以具有真实性，以保证仿真出来的输出波形与实验电路的测试结果相一致[8]。本文利用PSpice仿真，以HCPL?2611型高速光电耦合器为对象，对评价电路及耦合参数进行仿真和验证，分析电路中的不同器件参数对仿真结果的影响，验证了此仿真方法的有效性。endprint

1 CMTI定义及测试原理

1.1 CMTI参数定义

CMTI是衡量一个隔离器在数据通信不被噪声打断的情况下，对隔离栅中的电压噪声的抑制能力。为了表征CMTI，根据其受影响的应用场合及实际的解决方法，定义两个参数：VCM为共模瞬态电压；dv/dt为共模瞬态电压的上升或下降的速率。共模信号的定义如图1所示。

瞬态共模抑制可以分解为两个参数：高电平的瞬态共模抑制[CMH]和低电平的瞬态共模抑制[CML]，[CMH]是在共模脉冲VCM上升沿，保证输出为高电平（VOUT>2.0 V）的所能容忍的电压变化比率dv/dt。[CML]是在共模脉冲VCM下降沿，保证输出为低电平（VOUT<0.8 V）的所能容忍的电压变化率[9]dv/dt。

1.2 CMTI测试原理

测试CMTI的方法是在两个相互隔离的电源地之间施加脉冲激励，使输出产生干扰波形，计算后得到相应的共模抑制数值。HCPL?2611测试原理电路如图2所示。

由图2可知，当开关放在A处，使发光二极管处于非工作状态，同时将使能端接在高电平上，输出是高电平。当VCM加到两个地之间，在脉冲的上升沿作用下输出波形有向下的干扰出现，调节脉冲输入的电压与上升时间和下降时间，根据输出波形的干扰情况计算相应CMH。

相应的当开关处于B处，此时设置适当的电压VFF与电阻可以使发光二极管导通，输出变为低电平。在脉冲的下降沿作用下输出波形有向上的干扰出现，通过调节可以计算相应CML。

2 CMTI仿真電路设计

利用PSpice仿真软件的仿真流程：根据原理电路画出仿真电路图；设置各器件参数；运行仿真，并分析结果；调节电路参数直到结果符合要求[10]。

2.1 器件结构及器件参数分析

HCPL?2611为单通道光耦，内部结构如图3所示。

与一般光耦原理类似，该型号光耦也是在电信号送入输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，通过电?光?电的转换传输信号。图3中，8个引脚中的1和4上标有N/C表示悬空，对电路不起作用，2，3之间有一只发光二极管，右边电路包含一只光敏二极管和一个放大电路。通过查阅数据表可知其特性：转换速率高达10 Mbit/s；理论共模抑制为10 000 V/μs；扇出系数为8；逻辑电平输出；集电极开路输出。输入电流[IFmin=6.5 mA]，[IFmax=15 mA]，当[IFmin≤IF≤IFmax]时光耦输入为高；[IFmin=0 μA]，[IFmax=250 μA]时，输入为低。

光电耦合器的隔离性能指输入端和输出端之间实现电隔离，而其输入端和输出端间的电隔离程度取决于两部分供电电源之间的绝缘电阻，同时与发光二极管和光敏管之间的耦合电容相关。该电容约为2 pF，典型的绝缘电阻值一般能达到1011～1012 Ω。

2.2 仿真电路搭建

根据光电耦合器隔离性能的影响因素，将内部管脚之间的耦合关系等效为一只小电容并联一个大绝缘电阻，绝缘电阻的值选取[1012]Ω。由于光耦的PSpice模型是理想模型，需要将耦合电阻与耦合电容设置进去。耦合电容的值通过PSpice的参数仿真功能和对芯片的实际测量以及典型光耦耦合电容值的范围共同确定[11]。由图2所示的原理图，建立仿真电路形式如图4所示。

通过调节VFF和R1的值共同确定输入电流[IF]。耦合参数中包含大电阻R3与小电容C2，在一定脉冲条件下通过对电容C2、电阻R3的调节模拟实际使用或者测试中的耦合干扰。

3 电路功能验证与耦合电容计算

3.1 电路功能仿真与验证

建立HCPL?2611电路仿真模型，对CMTI耦合参数进行仿真与验证，根据真值表确定该仿真电路的正确性，器件的真值表如表1所示。

当输入电流为7.5 mA的高电平，使能端为N/C时，电路图如图5a）所示，仿真后输出如图5b）所示。图5b）中上面直线为输出波形，VO=631.849 mV，符合真值表中所示的输出为低电平。

将使能端分别接为高电平和低电平，输出结果与真值表一致。用类似的方法验证输入为低电平时的情况，结果符合真值表。

仿真结果表明电路模型正确，仿真结果符合CMTI评价要求。

3.2 CMTI耦合电容计算

高速光耦HCPL?2611在干扰脉冲作用下理论输出波形图如图6所示。

其中，第一条是施加的脉冲波形VCM；第二条是在输出高电平的情况下，输出在VCM干扰脉冲上升沿产生的干扰波动；第三条是在输出为低电平时输出在VCM干扰脉冲下降沿产生的干扰波动。

3.2.1 输出高电平耦合电容的计算

根据芯片隔离特性，将耦合参数中的耦合电阻值设为1012 Ω。利用精密LCR表测试HCPL?2611中VCC与D/A管脚之间的电容值为1.011 656 pF，同时根据芯片HCPL?2611的隔离特性，输入与输出之间的电容值为0.6 pF。综合这两方面，在输出高电平的情况下，利用PSpice的参数仿真功能确定耦合电容。其中，参数确定标准为，当[CMH]处于10 000 V/μs时，干扰曲线的电压最小值大于2 V且接近于2 V，且当[CMH]高于10 000 V/μs时出现干扰，低于10 000 V/μs时不出现干扰。

仿真电路如图4所示，首先将电容C2值设定为1 pF，4 pF，7 pF三个梯度，观察是否出现正确的干扰曲线和电压最小值的大小。

仿真结果如图7所示，出现三条不同的曲线，每种曲线代表当[CMH]为10 000 V/μs时不同电容值情况下产生的干扰曲线。

从图7中可知，虚线与图6中输出高电平干扰波形一致，确定输出高电平时的耦合电容为2.74 pF。在[CMH]为10 000 V/μs的情况下，输出最小电压值是2.172 1 V。根据仿真参数估计结果将耦合电容值设定为2.74 pF。endprint

3.2.2 输出低电平耦合电容的计算

由于输出高电平和输出低电平是两种不同的情况，重新进行耦合电容的估计。采用相同方法得到输出低电平时耦合电容值近似为30.84 pF。

4 仿真验证

4.1 输出高电平

当输入电流值不大于250 μA时，这里设输入电压VFF为1.4 V，二极管不导通，此时的输出为高电平5 V。电容C2为2.74 pF，脉冲的具体变化参数设置为低电压V1=0，脉冲电压V2=1 000 V，根据脉冲发生设备AVRQ?4?B的说明延迟时间设为TD=50 ns且脉冲宽度设为PW=1 000 ns，上升时间TR=100 ns，下降时间TF=100 ns，脉冲周期精确设为上述参数值的和PER=1 250 ns。仿真电路图如图4所示，干扰曲线放大为图8，其中输出最低电压为2.172 1 V。

对比图6中的输出高电平干扰曲线（第二条），结果一致。根据[CMH=dvdt=1 000 V100 ns=10 000 V/μs]，这和器件手册中提供的[CMH]范围一致。当V2=1 100 V，即[CMH]大于芯片最大瞬态共模抑制参数时，得到输出电压最小值为774.233 mV，远低于2 V。上升沿时间不变，当V2低于1 000 V即[CMH]低于芯片最大瞬态共模抑制参数时，干扰最小电压值均大于2 V，且随着V2值的变小，干扰变弱。取V2=700 V，结果最低电压为4.893 8 V。

4.2 输出低电平

輸入电流为6.5～15 mA时，这里将输入端电压VFF调为6.5 V，发光二极管导通，输出为低电平，并且在脉冲下降沿会产生向上的干扰。电容C2为30.84 pF，脉冲的具体变化参数有电压V1=0，脉冲电压V2=1 000 V，脉冲宽度设为PW=1 000 ns，根据芯片手册中响应时间总小于50 ns，在此为了出现更优的波形，延迟时间TD设为100 ns，上升时间TR=100 ns，下降时间TF=100 ns，脉冲周期精确为PER=1 300 ns。仿真电路图如图4所示，仿真结果为输出最大值是3.847 2 V，干扰曲线放大图如图9所示。

对比图6中的输出低电平干扰曲线（第三条），结果一致。但是输出已经超过0.8 V，所以此时实际的[CML]稍低于[10 000 V/μs]，也符合器件手册中提供的[CML]范围。

当提高干扰脉冲变化速率时，例如V2=1 200 V，仿真波形产生向上的干扰，其最大值为5 V。当降低变化速率时，例如V2=700 V，输出端曲线保持在低于660 mV的低电平，且未产生干扰。

综上，从耦合参数设置可以看出，大电阻并联小电容的形式最符合光耦实际的耦合干扰情况，结果接近于理论分析。

5 结 论

本文中通过对HCPL?2611型高速光耦的瞬态共模抑制进行研究，提出瞬态共模抑制参数仿真方法，利用PSpice仿真得出对CMTI电路和耦合参数进行仿真，基于测试原理实现了器件CMTI性能仿真分析。利用大电阻并联小电容的形式来仿真高速光耦实际的耦合情况，可以更准确地进行对器件CMTI性能的仿真。通过仿真结果分析，验证了该仿真方法的有效性。

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