如何用光耦来设计可靠的串口电平转换隔离电路
首先来看一下光耦器件的作用，它是最常用来作为电路隔离设计的，可以通过光耦器件将信号从一个电路回路里传递到另外一个电路回路，两个电路回路之间完全绝缘，且绝缘耐压支持几百V到上千V，这个特点非常适合用于解决电路上的共模干扰，提高电路的可靠性。
下面我们以通用的低速光耦器件为例来看一下光耦器件的电路逻辑符号和关键的：
光耦的关键电气参数指标有以下：
（1）输入-输出隔离绝缘耐压Vios
（2）电流传输比CTR
（3）输入端的正向电流值If、输入端二极管正向压降Vf
（4）集电极-发射极峰值击穿电压Vceo、集电极电流值Ic、发射极-集电极电压Veco
（5）截止频率f、上升时间Tr和下降时间Tf
这些参数指标是如何影响我们设计电路的呢，下面我们以一个典型的电压数字信号隔离转换电路为例来说明：
下面我们带着设计需求来分析器件的各个指标的作用，首先我们希望通过上图的电路实现两个电气回路的信号隔离，且两个电气回路的工作参考电压不一样，可以实现从低压3.3V控制电路到高压12V执行电路的转换；要求将串口的UART波形进行转换，串口的波特率一般是在1200~115200bps之间，典型的通信速率为9600bps，在此设计要求下，计算出限流电阻R1~R4的值。
从上电路图来看，串口的收发电路模型是一样的，都是采用的同向逻辑，就是左边光耦输入端TX为高，右边隔离后输出也是高电平，只是把高电平的电压值从3.3V提高到了12V，那么光耦器件如何确保UART的TX信号波形无失真的传递到输出端呢，限流电阻的阻值就非常关键，我们先从上图的下半部分的UART的TX信号转换来分析：
（1）以EL817光耦为例，其正向导通电压指标为1.2~1.4V，典型值为1.2V，那么
R3=（3.3V-1.2V）/If ;其中If为光耦的正向导通电流值，指标最大为50mA；器件规格书有推荐的数值如下：
注意上图中推荐最小If为5mA，这个是厂商认为此值可确保器件能相对稳定工作的数值，可以作为我们选用的参考，代入上面计算公式，可得R3=（3.3-1.2）/0.005=420欧姆。
特别注意在精确计算时，需要查阅规格书里的特性曲线图，将输入侧二极管的导通电流值所在的正向压降给准确的确定下来，如下图所示，这个是能否准确计算阻值的关键点：
从上图可知，限流电阻的计算公式需要校正为R3=（3.3-1.15）/0.005=430Ω。
（2）那么在TX=0时，输入端的导通电流设计为If=5mA，那这个电流是怎么传递到输出电路里去的，传递了多少电流值呢，这个就涉及到光耦的另外一个参数指标传输比CTR了，同一个型号系列的器件也会有不同的传输比，他们存在一定的性能差异，如下图所示：
这个传输比假设为100%，则可将输入端的5mA以100%的传输比进行传递，在输出端的光耦三极管上产生最高达到5mA的集电极电流值，但实际上是否能真的达到5mA还取决于输出端的限流电阻R4和光耦三极管的导通状态，具体同样要参考电气特性曲线图：
从上图可看出，当输入端导通电流为5mA，传输比为100%时，集电极电流如果也设计为5mA，则Vce=0.2V左右，可以确保TX=0时，输出端电压为0.2V，也为低电平。但是如果将集电极的电流限制为10mA，那么Vce=1V左右，此时输出端电路的低电平电位将大于0.7V，处于不稳定状态，因此集电极的电流一定要限制在7mA以下才能确保电平的稳定识别；且从上图来看，集电极电流越低，Vce的电压值也越低，因此R4=（12-Vce）/Ic=(12-0.2)/0.005=2360Ω，适当取大一点的数值，可将Vce限制更小，因此R4=2.7K为最佳
我们再看一张曲线图，就可以清楚看出，要让输出端光耦三极管饱和导通的临界点在哪里了：
上图中，If=5mA，它的Ic设计成5mA，电压Vce符合低于0.7V的要求，说明光敏三极管已经饱和导通了，可以满足将输入的TX信号准确传输到输出端的目标。
从上图也可以看出，在If=5mA不变的情况下，将Ic电流限制的越小，Vce的值也越低，因此输出端的限流电阻值可以再增大，可让光耦三极管导通的压降更低，这样可以将公式优化为：R4=（12-0.2）/0.0005=23.6KΩ，此处优选值是22K，适当留有一定的裕量。
那么是不是限流电阻值在2.7K~22K之间，是不是值越大越好呢？肯定不是的，因为我们输出端的串口信号，它是需要具备一定的驱动能力的，而限流电阻越大，它的驱动能力就越弱，且因为线路里的寄生电容的存在，限流电阻越大，信号的上升沿，下降沿就越缓，这样会影响信号高低电平切换的速率，从而影响通信数据的速率，在选择高波特率进行通信时，集电极电流也不能太小，按照器件厂家推荐，典型值也是3~5mA为最佳，此处优选IC=3mA，这样计算出来的R4=4KΩ。
好了，在计算完串口的发送转换电路之后，我们再回过头来计算接收电路的参数，接收电路则刚好相反，高压12V部分为输入端，3.3V低压部分为输出端，
R2=（12-1.2）/0.005=2160≈2.2kΩ
R1=（3.3-0.2）/0.003=1033≈1.0KΩ
最终这个UART高低压光耦转换电路的参数确定如下：
最后再回顾一下，光耦的几项关键性参数，If、Vf、Vceo、Vce，电流传输比，隔离耐压值，这个在选型器件型号时需要重点关注，要满足不同电路指标时，就需要重点选择合适的指标的器件来使用。