HCNR200和HCNR201模拟光电耦合器SPICE电路仿真 应用笔记AN5545极化片
Jamshed Namdar Khan，安华高科技(Avago Technologies)隔离应用产品事业部光电耦合器应用工程师
介绍
本应用笔记的目的是展示PSpice软件如何通过使用安华高科技(Avago Technologies)提供的PSpice宏模型精确预测和仿真Avago公司HCNR200和HCNR201模拟光电耦合器的行为，聚焦集成电路仿真程序(SPICE, Sim-ulation Program with Integrated Circuit Emphasis)目前被认为是模拟电路设计工程师不可或缺的工具。 相对模拟光电耦合器数据表参数或规格，良好的宏模型应该精确预测电路性能，PSpice或SPICE仿真是任何设计工程师成功完成设计项目一个必备并且不可或缺的工具，电路仿真有助于原始设计概念的发想，从而允许工程师调整并优化原型电路取得最佳可能电路性能。电路仿真的最大优势在于建构实体硬件或进行性能测试前可以先行验证并改善设计，极小化花费在原型测试的时间和相关费用成本。 为何需要仿真？
不管电路仿真可以如何进行或带来什么，有一点它绝不可能做到的是为你提供实际的电路设计，因此我们首先列举几个吸引设计工程师进行电路仿真的原因。
进行电路仿真的主要动力是极小化预测目标电路设计性能的时间，相较于实际建立和进行原型测试等效电路的评估，使用SPICE电路进行评估所使用的时间相对上非常微小，另外，这些电路仿真也可以在各种不同温度、偏置条件以及零组件数值和误差条件下多次进行，但耗费时间仅为进行电路试验板设计并于工作台上进行评估的数分之一。
在进行光电耦合器SPICE仿真时，首先应该了解的是软件并无法仿真光电耦合器的两个基本特性，设计工程师使用光电耦合器主要有两个理由，分别是绝缘和隔离，SPICE软件并无法对这两个主要关键光电耦合器功能建立模型。绝缘
描述光电耦合器通过光学设计绝缘屏障提供两侧或两个接地点间高电压击穿保护的特性，这个参数在数据表中以绝缘耐受电压V ISO表示，并通过光电耦合器标准如UL1577认证，工作电压则定义为V IORM并且通过国际光电耦合器安全标准如IEC 60747-5-5认证。V ISO 规格为短暂一分钟或瞬态绝缘耐受规格，举例来说，依据UL1577标准，Avago光电耦合器产品的规格由2500Vrms/min到7500Vrms/min，由光电耦合器所选择的封装形式决定，工作电压V IORM则为光电耦合器绝缘屏障上可以承受的连续电压，Avago的光电耦合器产品通过560V peak到1768V peak认证，同样依所选择的
封装形式决定。不同于基于总漏电流或击穿测试的UL规格V ISO，IEC 60747-5-5指定的工作电压V IORM或瞬态过电压V IOTM规格基于部分放电测试，如上所述，SPICE 并无法仿真光电耦合器的绝缘击穿水平或部分放电起始电压。
隔离
定义光电耦合器两个光学隔离接地面间的电气噪声抑制能力，这个参数在光电耦合器数据表中通常以共模抑制(CMR, Common Mode Rejection)能力表示，为不会造成光电耦合器错误行为或受暴影响和发生输出短时脉冲条件下，光电耦合器两侧可以承受的最高电压变化，通常这个电压变化(dV/dt)速度规格以光电耦合器可以承受，不会发生短时脉冲并维持在正确逻辑状态的最高电压变化速度kV/μs表示，CMR越高，光电耦合器抑制两个隔离侧或接地面电气噪声的能力就越高，基本上SPICE也无法仿真光电耦合器的隔离或噪声抑制特性。
如果SPICE软件无法仿真光电耦合器两个主要的特性和功能，也就是绝缘和隔离，那么为什么要使用SPICE软件来分析加入光电耦合器模型的电路呢？答案非常简单，SPICE可以成功仿真许多光电耦合器的直流或交流参数和其他特性，如：
1. 输入到输出传播延迟
2. 电流传输比(CTR)
3. 传输增益
4. 带宽或频率响应
5. 功耗
因此使用光电耦合器宏模型的SPICE电路仿真拥有许多好处，这当然也代表使用这些光电耦合器宏模型所提供的深入了解要比没有好了许多。
绝大多数SPICE产品供应商也会提供包括各种电气零组件模型库，如：
1. 运算放大器
2. 电压调节器
3. 定时器
4. IGBT和MOSFET
由模型库提供的零组件模型数量非常多，几乎没有限制，因此无法一一列举，这些零组件或它们的模型可以配置到需要设计或检视的电路中，如此可以允许进行使用光电耦合器或相关宏模型以及其它有
用集成电路所构成复杂电路的仿真和分析，因此这个应用笔记的目标有两方面：
1. 使用Avago提供的光电耦合器SPICE宏模型进行电 路仿真，并验证关键的数据表性能参数。
2. 于使用其它集成电路器件模型的更复杂电路中使用 光电耦合器SPICE宏模型进行电路仿真，以预测相当 于试验电路板和工作台测试等级的电路行为和性能。仿真的部分优势和限制
仿真如果可以巧妙进行，并深入利用使用软件的优势和限制，那么对于取得设计概念的深入了解和行为预测非常有用。
举例来说，电路仿真可以用来作为：
1. 新设计发想测试
使用电路仿真软件进行全新或创新想法测试时，设计工程师面临的唯一限制只有想像力，可以在进行试验电路板焊接前，事先使用初始电路仿真对原始设计想法进行纠错。
2. 节省宝贵时间
不会在耗费数日构建完试验电路板后才发现原始电路设计中没有考虑增益或带宽，甚至根本无法运作。3. 预测电路性能
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仿真也可协助预测电路设计概念在不同温度或零组件误差变化下是否稳固，或用来决定电路能否在所有工作电压、频率或温度下稳定工作。
4. 进行有用的电流、电压和功率测量
在试验电路板上进行实际电压、电流和功率测量基本上没有意义，仿真软件可以快速地进行这类测量。5. SPICE的限制
我们必须了解，模型和软件只有在概念假设条件成立时才正确，这些模型并不完美，并且这些零组件的部分特性也无法轻易建模，除了先前讨论的光电耦合器绝缘和隔离特性外，其它可能完全无法建构模型的参数包括锁存灵敏度、电源灵敏度、击穿电压、噪声灵敏度和过冲等。
除此之外，SPICE也可能无法预测多种零组件故障模式，同时，许多仿真基于仅提供总体约略响应的简化模型，无法用于精确预测微细或复杂的行为。烟雾净化
因此在最终分析时，电路于使用电路仿真软件事先经过学理分析后，只有实际试验电路板原型电路的性能可以提供最终的验证，证明电路可以依设想进行工作。
HCNR200或HCNR201模拟光电耦合器PSpice 电路仿真
决策天地1. HCNR200或HCNR201发射器电路
图1中基于HCNR200的4-20mA 发射器电路设计方程如下，电路设计条件：V IN = 0.8V 时 I LOOP = 4mA V IN = 4.0V 时 I LOOP = 20mA 传输函数设计方程为：I PD1 = V IN / R1 因此
V IN = 0.8V 时 I PD1 = 0.8V/R1 = 0.8V/80kΩ = 10µA V IN = 4.0V 时 I PD1 = 4.0V/R1 = 4.0V/80kΩ = 50µA
Q3LED
设计方程： (I LOOP / V IN ) = K3(R5+R3) / (R5 x R1)
注：图中两个运算放大器为独立的LM158，非单一封装内的两个通道，否则回路侧和输入侧无法适当隔离。
图1： 使用HCNR200或HCNR201的4-20mA 发射器电路。
模型形式：宏模型相对微模型
使用SPICE 进行电路仿真时可以采用宏模型或微模型，微模型分析基于集成电路芯片的晶体管层级模型，这个模型基于构成芯片零组件或器件所有有源和无源器件的实际运行相关参数，微模型为进行SPICE 仿真最精确的方式。
相对来说，宏模型则是器件仿真精确度较低的方式，这个模型发展的主要目的是反应器件的总体响应，而
非零组件层级分析，虽然它并无法精确架构所有参数，但可以强调或反映出整体响应的关键重要部分，然而经过仔细设计的宏模型可以提供足够的细节和精确的响应，足够满足绝大多数实际仿真目的需求，在本应用笔记中进行的SPICE 仿真都基于Avago 公司提供的光电耦合器宏模型。
由HCNR201数据表我们可以得到，典型传输增益为K3 = I PD2 /I PD1 = 1.0，光电二极管I PD2由R5和R3电阻组成的分流电路控制：
I PD2 = I LOOP x (R5 / R5 + R3)
基于传输增益 K3 = I PD2/I PD1 = 1.0
I PD2 = K3 x I PD1
代入 I PD1 = V IN/R1
I PD2 = K3 x (V IN/R1)
得到：
K3 x (V IN/R1) = I LOOP x (R5 / R5 + R3)
求解 I LOOP ：
I LOOP/V IN = K3 x (R5 + R3) / (R5 x R1)
由数据表提供的传输函数K3典型值为1，因此可以简化为：
I LOOP/V IN = (R5 + R3) / (R5 x R1)
现在就来看看SPICE仿真结果以及取得的直流传输函数。
me0407图2：4-20mA HCNR200/HCNR201发射器电路直流参数SPICE仿真结果。
SPICE仿真取得了以下的結果：
参数预测结果SPICE仿真结果误差百分比电动粉扑
V IN = 0.8V 时 I LOOP 大小4mA 4.1mA 2.5%
V IN = 4.0V 时 I LOOP 大小20mA20.15mA0.75%
设计工程师通常认为，如果SPICE仿真结果误差在预测结果的5%到10%之内，就代表电路的SPICE模型或宏模型电路仿真非常好，基本上可以代表实际电路或器件的实际性能。
要决定电路的动态或交流响应需要检视输入输出频率响应，主要目的是建立电路的输出带宽和相位裕度。
发射器电路的带宽响应可以参考图3，电路的3dB带宽接近10kHz，非常符合Avago的HCNR200数据表中基于模拟电路运算放大器指定的10kHz典型带宽。
图3：4-20mA发射器电路交流带宽的SPICE仿真结果。
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