劉洋，楊琳，彭娟娟，彭婧

（1.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系，湖北 武漢 430079；2.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建設(shè)管理工程系，湖北 武漢 430079；3.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 技術(shù)技能培訓(xùn)部，湖北 武漢 430079；4.武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖北 武漢 430079）

0 引言

光耦合器（opticalcoupler），也稱(chēng)光電隔離器或光電耦合器，簡(jiǎn)稱(chēng)光耦。光耦通過(guò)發(fā)光器將輸入端的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)后傳輸給受光器，受光器接收光信號(hào)后產(chǎn)生光電流，經(jīng)過(guò)放大后從輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)輸入與輸出端信號(hào)的耦合。由于光耦的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上是“電-光-電”的轉(zhuǎn)化，信號(hào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、傳輸效率高、具有較強(qiáng)的共模抑制能力，在數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大提高計(jì)算機(jī)工作的可靠性。因此，光耦合器已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電路、元件及設(shè)備中。然而隨著光耦的使用越來(lái)越廣泛、集成規(guī)模的增大，其發(fā)生失效的概率也越來(lái)越大，并呈現(xiàn)出復(fù)雜、不穩(wěn)定的特點(diǎn)[3-5]。

光耦常見(jiàn)的失效模式機(jī)理對(duì)應(yīng)的激活能及壽命模型，一般都具有獨(dú)立性和局限性，實(shí)際應(yīng)用的光耦在使用過(guò)程中存在諸多不穩(wěn)定的失效現(xiàn)象，需要針對(duì)性地進(jìn)行失效分析[6-7]。

1 失效現(xiàn)象

5242B伺服控制板串口收發(fā)芯片SP3232EY后端光耦隔離芯片PS9121在高低溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中失效，具體現(xiàn)象描述如下：在進(jìn)行600℃高溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，數(shù)字隔離光耦PS9121無(wú)法正常工作，串口信息無(wú)法由光耦原邊傳遞到光耦副邊，電機(jī)無(wú)法按照STM32F103VCT6 MCU所發(fā)送的控制指令正常工作；當(dāng)溫度降低到室溫之后，5242B控制板重新上電之后，數(shù)字隔離光耦PS9121恢復(fù)正常工作狀態(tài)；當(dāng)拆除PS9121之后，將光耦原邊副邊信號(hào)短接，再次進(jìn)行600℃高溫實(shí)驗(yàn)，串口數(shù)據(jù)信息可以正常的收發(fā)，電機(jī)運(yùn)行正常。

由以上實(shí)驗(yàn)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(shè)

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(fā)生失效，溫度降到室溫后又恢復(fù)到正常工作狀態(tài)可知，PS9121并未發(fā)生永久性熱損壞現(xiàn)象。對(duì)光耦失效原因做出如下假設(shè)。

2.1 帶寬

假設(shè)高溫導(dǎo)致PS9121的寬帶發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致光耦失效。PS9121的datasheet顯示其帶寬為High-speed（15Mbps），因此這個(gè)導(dǎo)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(hào)線上串入了510歐姆的電阻，在圖中標(biāo)號(hào)為R105、R109、R113以及R117，PS9121的推薦工作參數(shù)如圖2所示。

圖2 PS9121 推薦工作參數(shù)

由圖2可知，datasheet要求IF的最小電流為6.3mA，圖1中當(dāng)原邊TXD的信號(hào)為低電平時(shí)，電流值為6.47mA，接近設(shè)計(jì)臨界值，考慮在高溫實(shí)驗(yàn)過(guò)程中原邊發(fā)光二極管阻值增大會(huì)導(dǎo)致副邊輸出電流驅(qū)動(dòng)能力不夠，導(dǎo)致引起通信信號(hào)異常。

2.3 溫度影響CTR值的變化

PS9121在其datasheet內(nèi)并沒(méi)有對(duì)溫度對(duì)CTR的影響進(jìn)行說(shuō)明或者用相應(yīng)的圖表進(jìn)行表示，只考慮高溫對(duì)CTR的影響是否會(huì)對(duì)光耦的工作性能產(chǎn)生影響。

3 失效模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 溫度對(duì)IF的影響

如果高溫下，CTR值未發(fā)生變化，原邊阻值發(fā)生變化導(dǎo)致IF減小，導(dǎo)致副邊驅(qū)動(dòng)電流減小。當(dāng)原邊信號(hào)為低電平時(shí)，光耦副邊在導(dǎo)通狀態(tài)下表現(xiàn)為弱下拉，則有可能表現(xiàn)為高電平（我司光耦按照正邏輯設(shè)計(jì)使用），通信出現(xiàn)異常。為了模擬高溫下這種情況的出現(xiàn)，將原邊信號(hào)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(shí)，觀察原邊和副邊信號(hào)波形如圖3和圖4所示（通道1為原邊信號(hào)波形，通道2為副邊信號(hào)波形，通道1和通道2的信號(hào)基準(zhǔn)重合）。

圖3 信號(hào)線上阻值為1K 時(shí)原邊以及副邊信號(hào)波形

圖4 信號(hào)線上阻值為10K 時(shí)原邊以及副邊信號(hào)波形

由圖3和圖4可知，當(dāng)信號(hào)線上阻值在高溫情況下即使發(fā)生變化，光耦也不會(huì)發(fā)生失效，IF設(shè)計(jì)比較臨界導(dǎo)致光耦失效的原因可以排除。

3.2 溫度對(duì)CTR值的影響

為了驗(yàn)證在高溫下，CTR值是否發(fā)生變化，在3.1實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用熱風(fēng)槍模擬5242B控制板在高溫實(shí)驗(yàn)下的工作狀態(tài)，并使用萬(wàn)用表實(shí)時(shí)監(jiān)控5242B的溫度變化情況。實(shí)驗(yàn)觀察到隨著溫度的變化，光耦副邊信號(hào)波形逐漸抬升，當(dāng)溫度升高到71℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖6 57.1℃時(shí)光耦副邊信號(hào)波形

圖7 66.7℃時(shí)光耦副邊信號(hào)波形

由圖5～9可以看出，隨著溫度的升高副邊信號(hào)的變化趨勢(shì)，在37.0～66.7℃溫度范圍內(nèi)，光耦副邊信號(hào)略有衰減，但是低電平仍然在CMOS電平所規(guī)定的低電平的容限范圍內(nèi)，光耦可以正常工作；但當(dāng)溫度升高到70.1℃時(shí)，圖8中信號(hào)的包絡(luò)線（綠色直線部分）光耦副邊波形已經(jīng)接近1V，已經(jīng)超過(guò)了CMOS電平所規(guī)定的低電平的容限范圍，此時(shí)光耦已經(jīng)無(wú)法正常工作，串口出現(xiàn)通信異常；當(dāng)溫度升高到76.4℃時(shí)，圖9中信號(hào)的包絡(luò)線（綠色直線部分）光耦副邊波形已經(jīng)接近2V，超過(guò)了CMOS電平所規(guī)定的低電平的容限范圍，光耦無(wú)法正常工作。

圖5 37.0℃時(shí)光耦副邊信號(hào)波形

圖8 70.1℃時(shí)光耦副邊信號(hào)波形

圖9 76.4℃時(shí)光耦副邊信號(hào)波形

4 結(jié)論

光耦隔離器件在接口上的應(yīng)用旨在消除外部系統(tǒng)對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)之間的串?dāng)_，設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅要考慮其功能的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，還要考慮EMC實(shí)驗(yàn)以及高低溫實(shí)驗(yàn)對(duì)其造成的影響。本項(xiàng)目即是在高溫實(shí)驗(yàn)中光耦的CTR參數(shù)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(guò)程中要對(duì)其工作溫度范圍這一參數(shù)要留有足夠的余量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以確定PS9121失效的原因是高溫導(dǎo)致CTR值的變化，PS9121穩(wěn)定工作時(shí)，高溫容限只能到66.7℃。

5 解決方案

針對(duì)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(hào)與副邊信號(hào)短接，這種方法效率最高，但PS9121的去除后無(wú)法將原邊信號(hào)與副邊信號(hào)進(jìn)行隔離，增加后續(xù)EMC實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）重新進(jìn)行光耦器件的選型，進(jìn)行pin-to-pin替換，選型時(shí)候注意溫度范圍、熱阻等參數(shù)，這種方案可靠性比較高，但是需要對(duì)產(chǎn)品重新測(cè)試。

（3）PCB布局時(shí)，將功耗較高的器件遠(yuǎn)離光耦，必要時(shí)可以考慮增加風(fēng)扇進(jìn)行散熱，這種措施對(duì)結(jié)構(gòu)提出了要求，且風(fēng)扇的安裝位置以及風(fēng)扇的功率需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定，會(huì)增加額外的產(chǎn)品成本。