光耦隔离芯片失效分析研究

刘洋，杨琳，彭娟娟，彭婧

（1.武汉电力职业技术学院 电力工程系，湖北 武汉 430079；2.武汉电力职业技术学院 建设管理工程系，湖北 武汉 430079；3.武汉电力职业技术学院 技术技能培训部，湖北 武汉 430079；4.武汉电力职业技术学院 机电工程系，湖北 武汉 430079）

0 引言

光耦合器（opticalcoupler），也称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。光耦通过发光器将输入端的电信号转化为光信号后传输给受光器，受光器接收光信号后产生光电流，经过放大后从输出端输出，从而实现输入与输出端信号的耦合。由于光耦的工作过程实质上是“电-光-电”的转化，信号的传输是单向性的，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力[1-2]。除此之外，光耦结构简单，工作稳定、使用寿命长、传输效率高、具有较强的共模抑制能力，在数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大提高计算机工作的可靠性。因此，光耦合器已被广泛应用于各类电路、元件及设备中。然而随着光耦的使用越来越广泛、集成规模的增大，其发生失效的概率也越来越大，并呈现出复杂、不稳定的特点[3-5]。

光耦常见的失效模式机理对应的激活能及寿命模型，一般都具有独立性和局限性，实际应用的光耦在使用过程中存在诸多不稳定的失效现象，需要针对性地进行失效分析[6-7]。

1 失效现象

5242B伺服控制板串口收发芯片SP3232EY后端光耦隔离芯片PS9121在高低温实验过程中失效，具体现象描述如下：在进行600℃高温实验时，数字隔离光耦PS9121无法正常工作，串口信息无法由光耦原边传递到光耦副边，电机无法按照STM32F103VCT6 MCU所发送的控制指令正常工作；当温度降低到室温之后，5242B控制板重新上电之后，数字隔离光耦PS9121恢复正常工作状态；当拆除PS9121之后，将光耦原边副边信号短接，再次进行600℃高温实验，串口数据信息可以正常的收发，电机运行正常。

由以上实验表征判断5242B伺服控制板功能异常由光耦器件PS9121引起。

2 失效原因假设

5242B光耦外围电路模块图如图1所示。

图1 5242B 光耦外围电路模块图

由高温条件下PS9121发生失效，温度降到室温后又恢复到正常工作状态可知，PS9121并未发生永久性热损坏现象。对光耦失效原因做出如下假设。

2.1 带宽

假设高温导致PS9121的宽带发生变化，进而导致光耦失效。PS9121的datasheet显示其带宽为High-speed（15Mbps），因此这个导致PS9121失效的因素可以忽略。

2.2 IF临界值较小

如图1所示，在原边信号线上串入了510欧姆的电阻，在图中标号为R105、R109、R113以及R117，PS9121的推荐工作参数如图2所示。

图2 PS9121 推荐工作参数

由图2可知，datasheet要求IF的最小电流为6.3mA，图1中当原边TXD的信号为低电平时，电流值为6.47mA，接近设计临界值，考虑在高温实验过程中原边发光二极管阻值增大会导致副边输出电流驱动能力不够，导致引起通信信号异常。

2.3 温度影响CTR值的变化

PS9121在其datasheet内并没有对温度对CTR的影响进行说明或者用相应的图表进行表示，只考虑高温对CTR的影响是否会对光耦的工作性能产生影响。

3 失效模拟实验

3.1 温度对IF的影响

如果高温下，CTR值未发生变化，原边阻值发生变化导致IF减小，导致副边驱动电流减小。当原边信号为低电平时，光耦副边在导通状态下表现为弱下拉，则有可能表现为高电平（我司光耦按照正逻辑设计使用），通信出现异常。为了模拟高温下这种情况的出现，将原边信号线上所串入的R105、R109、R113以及R117阻值增大，阻值分别增大到1K和10K时，观察原边和副边信号波形如图3和图4所示（通道1为原边信号波形，通道2为副边信号波形，通道1和通道2的信号基准重合）。

图3 信号线上阻值为1K 时原边以及副边信号波形

图4 信号线上阻值为10K 时原边以及副边信号波形

由图3和图4可知，当信号线上阻值在高温情况下即使发生变化，光耦也不会发生失效，IF设计比较临界导致光耦失效的原因可以排除。

3.2 温度对CTR值的影响

为了验证在高温下，CTR值是否发生变化，在3.1实验的基础上，采用热风枪模拟5242B控制板在高温实验下的工作状态，并使用万用表实时监控5242B的温度变化情况。实验观察到随着温度的变化，光耦副边信号波形逐渐抬升，当温度升高到71℃时，实验过程如图4所示。

图6 57.1℃时光耦副边信号波形

图7 66.7℃时光耦副边信号波形

由图5～9可以看出，随着温度的升高副边信号的变化趋势，在37.0～66.7℃温度范围内，光耦副边信号略有衰减，但是低电平仍然在CMOS电平所规定的低电平的容限范围内，光耦可以正常工作；但当温度升高到70.1℃时，图8中信号的包络线（绿色直线部分）光耦副边波形已经接近1V，已经超过了CMOS电平所规定的低电平的容限范围，此时光耦已经无法正常工作，串口出现通信异常；当温度升高到76.4℃时，图9中信号的包络线（绿色直线部分）光耦副边波形已经接近2V，超过了CMOS电平所规定的低电平的容限范围，光耦无法正常工作。

图5 37.0℃时光耦副边信号波形

图8 70.1℃时光耦副边信号波形

图9 76.4℃时光耦副边信号波形

4 结论

光耦隔离器件在接口上的应用旨在消除外部系统对内部系统之间的串扰，设计过程中不仅要考虑其功能的简单实现，还要考虑EMC实验以及高低温实验对其造成的影响。本项目即是在高温实验中光耦的CTR参数不满足要求，造成了伺服控制板的功能失效，因此在光耦选型的过程中要对其工作温度范围这一参数要留有足够的余量。通过实验可以确定PS9121失效的原因是高温导致CTR值的变化，PS9121稳定工作时，高温容限只能到66.7℃。

5 解决方案

针对PS9121失效的原因，提供以下解决方案可供参考。

（1）直接将PS9121从PCB板上去除，将原边信号与副边信号短接，这种方法效率最高，但PS9121的去除后无法将原边信号与副边信号进行隔离，增加后续EMC实验的风险。

（2）重新进行光耦器件的选型，进行pin-to-pin替换，选型时候注意温度范围、热阻等参数，这种方案可靠性比较高，但是需要对产品重新测试。

（3）PCB布局时，将功耗较高的器件远离光耦，必要时可以考虑增加风扇进行散热，这种措施对结构提出了要求，且风扇的安装位置以及风扇的功率需要进行实验确定，会增加额外的产品成本。