高速光耦隔離H橋之過程

記得很久很久以前有一次突然想搞一個全光耦隔離的，H橋高速驅(qū)動電路，結(jié)果花啊花啊，沒多久就畫出來了，還沒有測試就貼到了論壇上去，結(jié)果被網(wǎng)友笑話了一場，雖然很丟面子，但是還是確確實實學(xué)到了很多東西的說的?，F(xiàn)在就來說說我當(dāng)初的這次經(jīng)歷吧^_^

論壇的關(guān)系圖片有點小，大家還是點開來仔細看吧

當(dāng)初之所以認(rèn)為這個電路能實現(xiàn)高速光耦隔離的H橋驅(qū)動，實際上也就是看中了那個6N137（這里用PS9601替代）的高速特性，因為使用6N137就一定能夠?qū)崿F(xiàn)高速的特性，結(jié)果就想當(dāng)然的連接了一下以為就可以實現(xiàn)高速的H橋驅(qū)動了，其實完全不是怎么一回事的，

這里我就給大家說說這樣的電路有哪些問題吧

**，vmos雖然看似是電壓驅(qū)動器件，但是實際上還是需要擁有相當(dāng)?shù)万?qū)動內(nèi)阻的器件才能使它高速的開關(guān)的，為什么呢，因為vmos存在著一個容量非常可觀的Cgs，也就是G和S電極之間的等效電容，這個電容的容量差不多有2000p左右，視具體管子有所出入，但是都不小的說，由于這個電容的存在，就導(dǎo)致了這個電路的速度永遠都不可能達到高速，我們顯卡左下角的M1管子，可以看到關(guān)斷是使用的三極管關(guān)斷的，可能這個勉強還算過的去的，但是Vgs的上升就要緩慢的多了，因為它有一個rc時間，差不多是10k*2000p這個時間可不短了哦。可想而知M1的導(dǎo)通是多么的緩慢的說。再來看看更要命的M2吧，這是一個PVMOS的功率管，可以看到這樣的當(dāng)M2開啟的時候是由晶體管來控制的所以相對來說還是過的去的，那過不去的就是關(guān)斷時間了，這個就真的比較要命了，由于MOS管的特性，關(guān)斷時間遠慢于開啟的時間。結(jié)果就是M2還沒有關(guān)斷的情況下，M1就已經(jīng)開始慢慢導(dǎo)通了，導(dǎo)致了兩個管子上下導(dǎo)通產(chǎn)生了相當(dāng)大的電流，用不了多久內(nèi)阻稍大的P溝道M2這個管子就會發(fā)熱嚴(yán)重，慢慢的就過熱燒毀了。這就是為什么很多人都說H橋容易燒P管的原因了。

**，我們再來看看這里的vmos的控制電壓，由于受制于6n137的工作電壓，Vgs*高只有5v，遠低于irf640的完全導(dǎo)通電壓，所以導(dǎo)致vmos始終工作在高內(nèi)阻區(qū)，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，所以這樣的電路是**不具有任何實用性的。

既然分析后知道了上述原因，那我們應(yīng)該如何才能修正這樣的問題呢？
其實原本是很復(fù)雜的，簡單的說就是6n137后面接放大電路，然后再推挽控制mos管子的開關(guān)和關(guān)斷，

大家可以參考這個電路的原理，但是實際上這樣的電路由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非常不適合實際使用，同時由于放大器也具有可觀的延遲，所以*終還是破壞了我們得到高速隔離mos管驅(qū)動的目的。要速度快就要用高速運放，還是價格很可觀的哦。所以不建議使用

不過現(xiàn)在就比較方便了，推薦使用專用的mos管驅(qū)動用光耦，比如東芝的tlp250就是不錯的選擇

大家可以看到內(nèi)部已經(jīng)幫我們集成了放大器和驅(qū)動電路了，能夠在保證基本速度的情況下極大的簡化外圍電路的使用，方便我們簡化H橋的電路，強力推薦使用

說道這里再給大家說個事情吧，那就是光耦隔離下的uart的串口通訊問題，

記得有不少朋友都碰到過，就是一個串口接上了普通的低速光耦，結(jié)果串口通訊就無論如何也調(diào)試不出來了，非要使用6n137這樣昂貴的高速光耦才能正常通訊，其實不然，這里我教大家一個使用普通廉價低速光耦也能完成基本串口通訊的方法吧

如圖所見，大家可以看到了這是市面上及其常見的廉價的ps2501光耦，我是因為pspice里面就它有模型才調(diào)用的其實別的電路也都一樣的因為基本上它就是*爛*便宜的那個的代表了，不過通過19200波特率還是很輕松的

我們可以翻看他的手冊，得知tr=3us tf=5us 這點速度已經(jīng)遠小于19200波特的26us的脈沖寬度了，所以器件理論上是可行的

再來看一下為什么平時大家都接的但是卻不好用，這里給大家分析一下原因吧

我們要知道光耦的速度和光耦輸出三極管工作電流有關(guān)系，為什么呢，因為工作電流越大，r24就必須越小，r24越小，這樣r24和晶體管本身的結(jié)電容的rc充放電時間就短，這個rc時間短了，晶體管的開關(guān)速度也就自然上升了，但是晶體管的工作電流是由發(fā)光二極管的光照強度決定的，還有電流傳輸比決定的，所以發(fā)光二極管的點亮電流也要適當(dāng)增加才能滿足隔離晶體管的電流需求，一般cpu的io可能不能提供如此大的電流，所以這里使用一個8550做了**電流放大，當(dāng)然如果你的單片機驅(qū)動電流夠大的情況下也可以不用這個三極管。還有一點就是可以看到后面的這個三極管是接的共集電極接法，而不是常見的共發(fā)射極接法，這是因為共集電極接法的速度遠比共發(fā)射極接法來的快，同理前面的Q2也用的是共集電極接法來盡可能的提高光耦的速度，減少延遲。
再說一下光耦的電流也不是可以無限制增加的，*好在使用之前看一下手冊上說明的*大工作電流，然后計算好適合的電阻再用。否則容易燒毀光耦。
*后給大家?guī)讖埛抡娴臏y試圖片

這個是工作在19200波特率下，電壓3.3v情況下的光耦發(fā)光二極管電流和晶體三極管的電流仿真圖

這張圖實在同等測試條件下的電壓曲線圖，可以看到ps2501這個垃圾光耦在19200的波特率下的波形良好，使用完全沒有任何問題^_^
補充一下r24和r23的計算方法，r24等于（電源電壓-0.2v）除以手冊上的晶體管的極限工作電流，
r23等于晶體管的極限工作電流除以電流傳輸比，得出發(fā)光二極管需要多少電流就可以讓后面的晶體管完全飽和了。然后用（電源電壓-1.8v）除以這個電流，就是r23的取值了，當(dāng)然在滿足速度的情況下r23和r24都可以適當(dāng)增大阻值減少功耗