一种实现光耦电参数测试的方法研究

摘 要本文介绍了用一种用AD5522微处理芯片设计的光耦集成测试系统，同时根据光耦电参数的特点，结合电路，讲解了光耦多种电参数测试的实现方法，用以快速、准确判别光耦电性能。通过加压测压和加流测压方法的实现，另外通过GBIP接口进行外挂测试仪表（如程控示波器、程控数字表）的控制，弥补测试系统测试资源和测量精度不足的缺陷。通过编写相应的测试程序指令，实现光耦测试条件的自动加载，同时对多个参数测试结果采样、记录、并自动生成测试数据库表格，从而可快速完成光耦全参数的测试，提高检测效率。

【关键词】光耦 自动加载 GPIB接口 测量精度

1 引言

随着光电技术在科技领域的广泛应用，光电耦合器已经成为目前广泛使用的一种元器件。它是一种把红外光发射部件、红外光接收部件以及信号处理电路等封装在同一载体内的器件，其中光起到传输媒介作用，通常用于电气隔离和信号放大。

光耦的应用非常广泛，它在出厂检测时需测试的电参数较多，部分生产厂家和大多的用户单位使用单一参数测试法，逐一进行电测试、然后手工记录测试结果，工作效率相对较低，为了改变这种测试现状，我们设计了一个新的综合测试系统，结合可编程的程控示波器自动采集测试数据，实现光耦全参数自动测试。

2 测试系统总体设计

通常在测试光耦电参数的时候有两种模式，第一种模式为：完全利用分离的电源、数字表和示波器，搭建测试台测试，不仅线路较为麻烦，加压和测流采用不同的的仪器进行，测试速率较慢。第二种模式为设计简易测试仪进行多参数（包括时间参数）测试，这种模式下在时间参数测试时，由于无法达到高性能示波器无失真实时波形采集的能力，容易带来测试的不准确，现在我们在结合两种模式的优缺点，采用独立设计高性能测试系统，设计测试程控恒压源、程控恒流源对光耦输入输出直流参数进行测试，设计高性能PCI卡，结合GBIP接口程控高精度示波器相的方法对时间参数进行测试，有效的解决了测试的便捷性和准确性问题。

我们设计的光耦集成测试系统框图如图1，系统硬件主要由主控计算机、测试机柜、测试适配器三部份组成，主控计算机通过计算机PCI插槽，连接测试机柜内部总线控制器，而总线控制器则通过系统总线对测试机柜内部的各种资源板卡实现有效的控制以及传输数据，测试主机柜中还包含设计光耦测试时需要的可调节恒流源、恒压源、电压测量单元及微弱电流检测单元等硬件资源。

当测试系统需要对内部的各个测试板卡资源进行自检、计量的时候，可以通过总线控制器提供的IEEE_488接口，程控高精度数字表，实时采集输出电压并进行判断，而这以往通常需要手工逐点记录和计算。另外，系统总线控制器还提供测试系统与计算机接口卡的连接、与打印机、测试控制盒、测试仪工作状态指示灯等的连接。

测试适配器位于测试机柜上，适配器包含器件装夹接口插座、测试继电器矩阵、各种通用负载电阻、器件滤波电容网络以及各种外挂测试仪器接口。它是连接被测试器件和本光耦测试系统的纽带。当进行测试的时候，来自测试适配器的信号通过信号转接板和测试机柜、主控计算机进行数据交换，如图2所示。

3 测试系统软硬件设计

3.1 系统硬件设计

我们设计的测量单元板卡，测试主芯片由一块高性能的测量芯片AD5522，配合使用几个16位ADC 电路AD7685组成。AD5522是一枚可以设置16位DAC电平的高集成度、高性能比的参数测量芯片，它由四个独立的PMU通道共同组成。我们能够对每个通道独立编程，而它需要的电压源基准我们选取类似ADR435这样的超低噪声5V 参考。AD5522可以为被测器件提供独立的函数，但在PMU外部首先应进行必要的数字化的处理。这可以通过下述方法实现：

可以给每个PMU通道单独提供一个专用的ADC芯片，从而可提供最快数据处理的吞吐速率和测试结果。

多个PMU通道共用一个ADC。如图2所示，采用四个PMU通道分配AD7685模数转换器。利用器件各MEASOUTx引脚的内部使能/禁用功能，可以实现多个通道共用一个ADC。这就时我们可以对PMU包含的寄存器用写入的命令，从而打开器件的使能/禁用开关。而如果选择一旦选用这种方法，则每次选择一个MEASOUTx通道。在实际应用中，也可以采取更多的通道来共用一个ADC变换器。

一旦我们需要使用超出20 V的输出电压范围，则AD5522要求升压控制，这时需要采用一个5V的基准电压源，而这个基准电压源我们选择ADR435，原因在于它具有较低的温度系数、噪声系数，以及能够对多个PMU通道同时驱动的特性。

AD5522 可工作于多种模式：施加电压测电流模式（FVMI）、施加电流测电压模式（FIMV）、施加电压测试电压模式（FVMV） 等，如图3所示。

在系统测试板卡设计时，测试单元必须构建在多层电路板上，且应具有较大面积的接地层，为了实现性能最佳，必须采用适当的布局、去耦、接地等技巧。所以我们在设计安装AD5522的印刷电路PCB板时，注意将模拟部分与数字部分进行隔离设计，让它们处于电路板的不同区域。如果AD5522所在系统中有多个器件要求它们的模拟地端AGND至数字地端DGND连接，则只能设计成星型连接，星形接地点尽可能靠近该器件本身。我们避免在器件下方走数字信号线路，否则线路中的噪声将可能耦合进器件。在设计AD5522的电源部分的线路时，应将走线布得较宽以降低阻抗，同时减小电源线路上的干扰效应。快速开关的数字信号不能靠近输入端，可以采用数字地进行屏蔽，避免对电路板上的其它器件干扰，产生辐射噪声。

3.2 系统软件程序设计

测试软件设计时，先根据需测试参数和测试条件确定电路测试结构，以便针对不同的测试参数控制继电器矩阵，形成不同的测试电路图。计算机使用Borland C++ builder编写可视化界面，编写各测试资源调用库文件，同时根据测试流程和器件功能响应逻辑图，调用相应的测试资源，根据不同的测试参数赋予测试条件，使用总线控制协议控制本测试系统，使用IEEE-488 （GPIB）通信协议与外挂可编程程控示波器、可编程程控数字表等进行通讯和数据传输，并及时将测试数据按照数据库测试表进行存储，便于进行测试数据的筛选、统计、生成测试报表。

测试系统测试流程为开机后先选择是否进入自检模式，对测试设备自检，自检程序为是可对所有资源的初始状态进行检测的测试程序。随后可进入编程调试模式或测试模式，如果需要对测试条件、测试资源调用进行修改，可以进入调试模式，否则直接进入测试模式，选取测试型号，同时提示是否已加载连接好所有的测试仪器和测试器件、测试PCB板，如果确认连接好，输入器件编号，按压测试按键一次，测试系统按指定顺序自动进行该器件所有参数的测试，测试结束后，测试机和测试软件同时用指示灯提醒用户测试是否通过，此时可根据需要重新测试或更换光耦，再次按测试键进行新一轮测试。

4 光耦的测试应用

对于所有光耦电参数输入和输出参数的测试，从本质来说都涉及到加压测流（FVMI）、加流测压（FIMV）和加压测压（FVMV）这三种方式，所以包含恒压恒流源的测控板PMU（Precise Measure Unit）是本次设计的核心。

加压测流是在芯片的某一个引脚上施加一个恒定电压，同时在相应的输出引脚测试响应电流；加流测压是在芯片的引脚施加一个恒定的电流，然后测试其输出引脚相应的电压；加压测压方式是在芯片的引脚预设一个恒定的电压，通过差分方式采样回读出真实的电压值。

光耦的电参数主要由：输入端参数、输出端参数和交流参数三类组成。光耦的基本测试图原理如图4所示。

4.1 输入参数测试

正向压降VF、正向电流IF、反向漏电流IR、反向击穿电压VR作为光耦的输入参数，反映的是输入端发光二极管的物理性能。正向压降VF测试方法：采用加压测流的方式给二极管施加一个恒定的正向电流IF，再通过测量其两端导通压降获得。正向电流和正向压降可以互为测试条件和被测试参数。

反向击穿电压VR、反向漏电流IR，这两个参数是表征发光二级管端的PN结的反向特性，测试的时候互为测试条件和测试参数，但测试方法有所不同，对于反向漏电流采用的是加压测流的方法，是通过给发光二级管端施加规定的反向测试电压VR，从而得到相对应的电流值；测试二极管的反向击穿电压采用加流测压的方法，即给二极管端反向施加一个已知条件的恒定电流IR，通过采样测试仪读取测试出的电压，从而得到测试结果。

4.2 输出参数测试

光耦的输出部分可由单一的光敏晶体管或集成电路组成。很多指标来测量输出特性：如反向击穿电压VBRCEO、反向截止电流ICEO、输出饱和电压VCE（sat）、输出高电平电压VOH、输出低电平VOL、高电平电源电流ICCH、低电平电源电流ICCL、电流传输比CTR及三级管直流放大倍数hFE等；

测试饱和压降VCE（sat）时，我们通过给发光二极管端施加正向的激励电流IF，同时在集电极端施加已知电流IC，然后采用测试系统的加流测压源表，采用加流测压的方式测试集电极到发射极之间的电压差；检测高电平电源电流ICCH，以及低电平电源电流ICCL也需要采用加压测流法，这时我们将不同的额定电流激励在发光二极管输入端，使光耦输出部份工作于相应的导通和截止状态，通过测试仪的加压测流源表，施加在光耦的输出集电极上，其在给器件提供工作电流的时候可以同时通过内部设计的采样电阻采样测试出电压，再通过I=U/R计算出实时的电流；测试输出高电平电压VOH是采用测试机柜提供的精密测量单元通过加压测压的方式测量得出，输出低电平电压VOL也是如此，可以通过测试仪器的测试通道，将仪器的测试单元通过测试通道连接到输出三极管的集电极和发射极，从而直接测试出输出高、低电平电压。反向击穿电压V（BR）CEO和反向截止电流ICEO，都是为表征光敏三级管的截止特性，是指当发光二极管端开路时，给器件的光敏三级管端施加上规定的测试条件，用加压测流的方式测试反向截止电流，用加流测压的方式测试反向击穿电压。图5是我们测试的一种光耦的集电极电压和集电极电流的曲线图。

用测试仪对电流传输比CTR和hFE进行测试，传输比通过集电极输出电流和光耦发光二极管正向激励电流的比值来确定，hFE主要用于表征光耦内带基极的光敏三极管的直流电流放大倍数。测试时是在发光二极管和光敏三级管的集电极和发射极两端施加规定的IF和VCE，测量出IC，并由公式CTR=IC/IF×100%计算出。通常光耦功率小，Ic测试规范值是毫安级，且测量精度要求高，这对程控恒流源提出了较高的要求。可以使用双极性恒流电路的方法，同时采用高性能的运算放大器及电流取样精密电阻实现。通过切换取样电阻，达到同一套电路输出多档可调恒流电流的目的。

4.3 时间参数（交流参数）测试

时间参数是指当光耦在规定的工作条件下，给发光二极管输入规定宽度的脉冲波电流，输出端产生相应的脉冲输出波形。衡量时间参数的指标：脉冲上升时间tr、脉冲下降时间tf、开启延迟时间tPHL、关断延迟时间tPLH；光耦的时间参数反映器件的开关特性，部分高速光耦器件的响应时间可以达到ns级。

光耦时间参数的关系定义如图6所表示，测试时由测试系统提供的脉冲信号源产生驱动电流脉冲波，在输出端产生响应，同时通过IEEE-488通讯协议对外挂示波器进行程控，用示波器进行单次波形触发获取输入输出波形，从而读出相应的时间参数，再回传给主控计算机进行数据处理和性能判断。

5 测试结果和分析

本系统可以对大部分的光耦进行高效、快速的测试，测试时以本光耦集成测试系统为核心，针对每个参数需要的电路，制作通用型测试板，实现了按照光耦型号，自动加载光耦各参数测试条件，通过控制继电器矩阵，完成电参数测试。

当不同型号的光耦测试时，若测试引脚相同，测试参数相同，则测试电路相同，则需编程调节具体加载的测试条件，而当待测光耦的规格型号不同，引脚封装各异时，为使用同一参数的测试电路，需将光耦引脚通过测试适配器上的继电器矩阵转接至相关电路进行测试。

为了对测试结果的有效性和测试系统的测试准确性进行分析，我们选取了一种有代表性的光耦GH0611，按厂家测试参数时的测试条件进行了测试，表1中给出了厂家规范值，以及用传统分离仪表测试和本测试系统测试得到的测试数据和测试误差。

如表1所示，测试结果可通过该测试系统一次性读出来，传统的手工测试的方法，需要几分钟甚至十几分钟才能完成单只光耦全参数的测试，通过本测试系统仅需3、4秒时间就完成全部测试，大大的提高了测试效率。另外测试数据通过计算机回采生成数据库，数据库经过处理生成测试记录可作为比对不同品种不同批次产品差异的原始数据，为质量控制提供了有利的数据支撑。测试结果的准确性和精度由计量单位定期进行计量保证，从每年的计量测试结果来看，这种测试系统性能非常稳定。

6 结论

本测试系统在光耦电参数测试原理的基础上，针对测试系统的测试硬件和测试软件结构进行了分析，从测试系统使用人员上来看，只需要通过主控计算机根据不同的测试型号编写相应测试程序，通过控制各种板卡改变基极电流和集电极测试条件，同时通过矩阵变换测试线路和外挂程控示波器的方式，实现多参数同时快速测试。同时该系统还可以用于光开关、光MOS固体继电器等器件的测试，为光耦等器件的测试寻找了一种更便捷有效的测试实现方法。

参考文献

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