一种光控电压泵的特性与仿真

严利民，黄璐益

(上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200444)

一般固态继电器(Solid State Relay, SSR)位于弱电的控制侧与强电的负载侧之间，存在共地的接线端子，即互相不隔离；如遇负载侧突发事件产生强电冲击脉冲易侵入控制侧，轻则工况突变，重则控制侧电击穿，造成固态继电器或整个控制系统损坏，从而限制了SSR的应用[1].

随着快速发展的光电耦合技术[2-3]及新的低开启电压的场效应管的诞生，双方结合形成了控制侧与负载侧之间具有优良电隔离特性和抗干扰性能的光金属氧化物半导体(Metal-Oxide-Semiconductor, MOS)固态继电器.与机械触点式继电器相比，光MOS固态继电器除了具有光隔离技术使得控制电路的安全性大大提高外，还具有启动和复位时间短、驱动电路功耗小、体积小、寿命长等优点[4].因此，光MOS固态继电器以其优越的性能和独特的优点广受消费者以及各大厂商的青睐.但是光MOS固态继电器也有它的缺点，不同的光MOS固态继电器为了适应特定的应用条件而设计不同的功率容量和工作电压，然而光MOS固态继电器在生产时将驱动电路和金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)置于同一个封装内，所以每种器件在实际应用时就无法再进行调整.

本文研究的光控电压泵与光MOS固态继电器一样，也应用了光电耦合技术[4-5]，不同的是没有将MOSFET封装在器件内部，这样用户可以根据需求选配最合适的外接MOSFET，从而更加方便，还有利于性价比的优化.

光控电压泵除了可与MOSFET构成光MOS固态继电器外，还是开关阵列中处于不同电位的各个MOSFET隔离驱动的最佳器件.现有的隔离驱动主要有3种方法： 变压器隔离、电容隔离和光电隔离[6].表1列出了这3种驱动隔离方法的优缺点.这款光控电压泵驱动MOSFET是光电隔离驱动方式，不仅对外部电磁场的抗干扰性强，而且可以很好地解决电路中不同电位甚至高电压的隔离问题.

表1 驱动隔离3种方法的优缺点

为了对这款光控电压泵进行深入研究，本文建立了比较符合它特性的仿真模型，并将OrCAD软件仿真结果与实际测试数据进行对比，显示二者之间的稳态误差约为1.0%，瞬态误差约0.69%，较好地体现了光控电压泵的稳态和瞬态特性.

1 工作原理

本文所研究的光控电压泵器件为自主研发，图1是其版图.这款光控电压泵采用了6引脚的封装，在电路中表示的图符如图2所示，引脚1和2是输入控制侧引脚，连接内部发光二极管LED；引脚4和6是输出负载侧引脚，连接内部光电池；引脚3和5是空脚.当控制侧输入5～30mA电流时，光控电压泵负载侧输出的开路电压超过8V；相应输出的短路电流约为4～30μA.其内部结构由LED、光电池和控制电路(高值电阻R、电流控制的常闭电子开关S)组成，如图3所示.

图2 光控电压泵在电路中的图符Fig.2 The device icon of light-controlled voltage pump in the circuit

图3 光控电压泵内部结构原理图Fig.3 The schematic for internal structure of light-controlled voltage pump

光控电压泵的工作原理为： 当输入端有驱动信号时，电流IF从‘1’端流入使LED发光，激发光电池产生光生电压.此电压在光电池与S构成的回路内产生光电流，流过S控制侧的光电流使S断开.Uout两端接入负载时，大部分的光电流从负载和S控制侧构成的回路中流过，而少量的光电流从高值电阻R和S控制侧构成的回路中流过；Uout两端不接入负载时，光电流全部从电阻R和S控制侧构成的回路中流过.只要光照不消失，不论Uout两端接入或不接负载，S控制侧均有光电流流过，维持常闭电子开关S处于断开状态，S负载侧则保持有光生电压输出.

当输入端驱动信号消失时，LED不发光，光电流消失，则电子开关S恢复常闭的状态，负载侧光生电压迅速下降至0，不再有光生电压输出.

2 性能测试

2.1 稳态

图4 光控电压泵的稳态测试结构图Fig.4 The test structure for the light-controlled voltage pump under steady-state

为了实际测试这款光控电压泵的稳态性能，构建的测试电路如图4所示.将稳压电源接入“P”、“N”两端，提供5V直流输入电压，通过串联一个变阻箱R，调节R的阻值实现输入电流IF分别为5mA、10mA和20mA，负载侧输出端串联变阻器RL与电流微安表，调节RL值可获输出电流I，同时用电压表测量输出电压U.为了降低误差，提高实测数据的准确性，本文的测试选用的微安表内阻为10Ω，电压表内阻为10MΩ.图5为稳态输入电流IF分别为5，10和20mA时的输出U-I特性曲线，可以看出：

1) 随着输入电流IF的增大，输出开路电压Uo和短路电流Is也随之增大；输出开路电压Uo增量小于0.6V，短路电流Is增量近似与输入电流IF的增量成正比.

2) 输出电压U随着输出电流I增大而下降的特性曲线有一个拐点，拐点坐标值约为[(Is-0.8)，(Uo-1.3)].在小于拐点坐标值区间内，输出电压U随着输出电流I增大而缓慢下降，仅1.5V左右；大于拐点坐标值区间内，输出电压U随着输出电流I增大而陡降至零.

图6是根据稳态时的输出U-I特性曲线换算后画出的U-RL关系图，可以很直观地显示出这款光控电压泵在稳态时的带负载能力.如图6所示同样存在一个拐点，拐点电阻值RP≈(Uo-1.3)/(Is-0.8)，当负载电阻RL大于拐点电阻RP时，U几乎不变；当RL小于RP时，U与RL成线性关系.

图5 稳态的输出U-I特性曲线Fig.5 The output U-I characteristic under steady-state

图6 稳态的U-RL关系图Fig.6 The U-RL relationship under steady-state

2.2 瞬态

为了实际测试这款光控电压泵的瞬态性能，构建的实验电路如图7所示.

图7 光控电压泵的瞬态测试结构图Fig.7 The test structure for the light-controlled voltage pump under transient-state

用信号发生器提供峰值为5V的方波接入“P”、“N”两端，调节R的值使输入峰值电流iF分别为5mA、10mA 和20mA.测这款光控电压泵的瞬态阶跃响应特性，需要在它的负载侧接入电容C，并且将示波器接于负载侧“+”、“-”两端，观察C两端的瞬态输出电压u波形.表2列出了C的值从30pF到5000pF时，u的上升时间tR(从10%峰值上升至90%峰值)的变化.

表2 瞬态输出电压上升时间与电容值的关系

以iF最广泛使用的峰值5mA为例子(文章以下内容均以此为例)，图8显示出了从左到右，随着C的增大，u的tR也随之增大的特性.图(a)显示了C从30pF到5000pF的所有u的tR曲线，由于在tR<0.5ms范围内，曲线密集显示不够清晰，而图(b)就展示了在该范围内C两端u的tR.

可见这款光控电压泵的瞬态输出特性为：

1) 随着负载电容C值的增大，电容两端的瞬态输出电压u的上升时间tR也随之增大；

2) 随着输入峰值电流iF的减小，电容两端的瞬态输出电压u的上升时间tR也同样随之增大；

3) 明显看出电容C值较小时，输入峰值电流iF的大小对瞬态输出电压u上升时间tR的影响远大于负载电容C值对其tR的影响.

图8 瞬态的输出特性曲线Fig.8 The output characteristics under transient-state

光MOS固态继电器一般来讲，导通时的响应速度要慢一些，关断时的响应速度要快一些[7].这个光控电压泵瞬态关断时下降时间tF(90%峰值至10%峰值)的实测数据如图9所示，示波器通道CH1是输入方波脉冲电压波形，示波器通道CH2是负载侧电容C两端u的波形.图(a)是C等于30pF的示波器波形截图，它显示的CH2的tF是110.0μs；图(b)是C等于5000pF的示波器波形截图，它显示的CH2的tF是234.2μs，可以明显看出这个光控电压泵在关断时的响应存在tF，且随着C的增大而稍有增大，但是，这与它在导通时的tR相比较可以忽略.

图9 瞬态的输出特性曲线Fig.9 The output characteristic under transient-state

3 建模

通过电子线路的仿真可以深刻认识电路的工作原理继而优化，不仅可以提高其性能，还可以降低电路硬件调试的烦琐与险情﹑降低研发成本﹑加快研发速度，所以电路仿真是当今电子线路﹑系统和产品设计的必须步骤.为此，本文对所研究的光控电压泵器件建立了仿真模型.

图10 光电池单二极管简化等效电路Fig.10 Simplified equivalent circuit for photodiode single diode

光电池的单二极管简化等效电路[8-11]见图10所示，得到单个光电池的I-U特性简化的近似表达式如下：

(1)

其中：I和U分别是光电池的输出电流与电压；IL是光生电流；ID是二极管反向饱和电流(2.682nA)；A是PN结材料特性系数(1.63)；T是电池温度(单位为K)；q是电子电荷(1.602×10-19C)；k是玻尔兹曼常数(1.381×10-23J/K).

在实际电路中一般将多个光电池串并联起来使用，此时，输出电流为[12]：

(2)

其中：m、n分别为光电池的并联、串联数.

本文研究的光控电压泵内部串联了24个光电池，由此可得光控电压泵的I-U特性表达式如下：

(3)

而光控电压泵的U-I特性表达式为：

(4)

图11 据式(4)绘出曲线与实测数据绘出的曲线Fig.11 Curves generated via equation(4) and actual test data

图11是输入电流IF为5mA时，根据式(4)使用Matlab软件绘出光控电压泵的U-I特性曲线与实测数据绘出光控电压泵的U-I特性曲线的对比图.从图中可以看出两者的曲线差异较大，为了减小二者之间的差异，就要调整等效电路模型，使其曲线更接近实测曲线.经研究发现，可以在二极管下端加一个不随输出电流I而变的常数项，即补偿电势E[13]，E的值受到输入电流、温度等因素的影响，同时减小二极管的数量来保持开路电压不变.

图12是调整后的光控电压泵内部光电池简化等效电路.

将图3与图12整合后，可以建立能在OrCAD16.6仿真软件中运行仿真的模型，具体见图13.若n个光电池串联后总开路电压为U，且图12中μA级光电池短路电流在每个硅二极管上压降均为Ud，可取硅二极管串联个数为最逼近n/3的整数，则补偿电势E≈U-nUd/3.与实际光控电压泵一样，负载侧与控制侧之间相互隔离.

图12 调整后的光控电压泵内光电池简化模型图Fig.12 Simplified model diagram of the photocell within the adjusted light-controlled voltage pump

图13 光控电压泵的PSpice仿真模型图Fig.13 PSpice simulation model of light-controlled voltage pump

仿真模型内由一个电容Ci来等效电子开关的延迟时间，电阻r等效实际的电子开关存在导通的电阻，电阻R等效在实测时，电压表或示波器探头的输入阻抗，U等效LED发光二极管的压降.通过输入端的配置，将软件中的电子开关S改成常闭功能.

4 仿真

图14(a)是光控电压泵稳态时的仿真电路图，图14(b)是光控电压泵瞬态时的仿真电路图.

图14 光控电压泵仿真电路图Fig.14 Simulation circuit of light-controlled voltage pump注： 由于仿真运行需要，在控制侧以及负载侧均添加接地符号.

4.1 稳态仿真

图15 光控电压泵稳态仿真波形图Fig.15 Steady-state simulation waveform diagram of light-controlled voltage pump

图15是光控电压泵的稳态仿真负载侧的波形图，其中横轴是负载侧的电流I，纵轴是负载侧的电压U.实测数据和仿真数据对比见表3，经过计算平均误差仅1.0%.

4.2 瞬态仿真

图16是仿真得到不同的负载电容C输出电压的上升时间tR的曲线，其中横轴是时间t，纵轴是负载侧的电压u.从左至右分别是C从30pF到5000pF的上升时间曲线.表4是仿真与实测的数据对比，此瞬态仿真得到的各负载电容值的上升时间与实际测得的值的平均误差仅0.69%.

表3 稳态下仿真数据与实际测试数据的对比

表4 瞬态下仿真数据与实际测试数据的对比

图16 不同负载电容值的瞬态仿真波形图Fig.16 Transient-state simulation waveforms for different load capacitance values

5 结 语

光控电压泵利用光电隔离技术，隔离控制侧与负载侧，可以解决电路中瞬间高压冲击的问题；根据需求用户可以自己选配外接的MOSFET，以适应各种负载，应用范围较广泛.本文对它在稳态以及瞬态时的实测数据分析，总结出随着输入电流的增大，光控电压泵的驱动能力也随之增大等特性，并且建立了仿真模型，为其应用的电子线路﹑系统和产品奠定了仿真的可行性.仿真数据与实测数据的对比，得到稳态误差仅为1.0%，瞬态误差仅0.69%，表明该仿真模型较为准确的展示这款光控电压泵的性能.