開關(guān)電源中光耦隔離的幾種典型接法對比
在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡單、低成本的方式。但對于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別，目前尚未見到比較深入的研究。而且在很多場合下，由于對光耦的工作原理理解不夠深入，光耦接法混亂，往往導(dǎo)致電路不能正常工作。本研究將詳細(xì)分析光耦工作原理，并針對光耦反饋的幾種典型接法加以對比研究。
1 常見的幾種連接方式及其工作原理
常用于反饋的光耦型號有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類光耦的特性。
TLP521的原邊相當(dāng)于一個發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強(qiáng)越強(qiáng)，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來實(shí)現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng)，不利于電路的穩(wěn)定工作。
通常選擇TL431結(jié)合TLP521進(jìn)行反饋。這時，TL431的工作原理相當(dāng)于一個內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5 V的電壓誤差放大器，所以在其1腳與3腳之間，要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
常見的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。圖中，Vo為輸出電壓，Vd為芯片的供電電壓。com信號接芯片的誤差放大器輸出腳，或者把PWM 芯片（如UC3525）的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器形式，com信號則接到其對應(yīng)的同相端引腳。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。
圖1所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時，TL431的1腳（相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端）電壓上升，3腳（相當(dāng)于電壓誤差放大器的輸出腳）電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓降低時，調(diào)節(jié)過程類似。
常見的第2種接法，如圖2所示。與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運(yùn)放的一種特性—— 當(dāng)運(yùn)放輸出電流過大（超過運(yùn)放電流輸出能力）時，運(yùn)放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。因此，采用這種接法的電路，一定要把PWM 芯片的誤差放大器的兩個輸入引腳接到固定電位上，且必須是同向端電位高于反向端電位，使誤差放大器初始輸出電壓為高。
圖2所示接法的工作原理是：當(dāng)輸出電壓升高時，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大，由于Ic已經(jīng)超過了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓下降時，調(diào)節(jié)過程類似。
常見的第3種接法，如圖3所示。與圖1基本相似，不同之處在于圖3中多了一個電阻R6，該電阻的作用是對TL431額外注入一個電流，避免TL431因注入電流過小而不能正常工作。實(shí)際上如適當(dāng)選取電阻值R3，電阻R6可以省略。調(diào)節(jié)過程基本上同圖1接法一致。
常見的第4種接法，如圖4所示。該接法與第2種接法類似，區(qū)別在于com端與光耦第4腳之間多接了一個電阻R4，其作用與第3種接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。
2 各種接法的比較
在比較之前，需要對實(shí)際的光耦TLP521的幾個特性曲線作一下分析。首先是Ic-Vce曲線，如圖5，圖6所示。
由圖5、圖6可知，當(dāng)If小于5 mA時，If的微小變化都將引起Ic與Vce的劇烈變化，光耦的輸出特性曲線平緩。這時如果將光耦作為電源反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分，其傳遞函數(shù)增益非常大。對于整個系統(tǒng)來說，一個非常高的增益容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以將光耦的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在電流If小于5 mA是不恰當(dāng)?shù)模O(shè)置為5～10 mA較恰當(dāng)。
此外，還需要分析光耦的Ic-If曲線，如圖7所示。
由圖7可以看出，在電流If小于10 mA 時，Ic-If基本不變，而在電流If大于10 mA之后，光耦開始趨向飽和，Ic-If的值隨著If的增大而減小。對于一個電源系統(tǒng)來說，如果環(huán)路的增益是變化的，則將可能導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在If過大處（從而輸出特性容易飽和），也是不合理的。需要說明的是，Ic-If曲線是隨溫度變化的，但是溫度變化所影響的是在某一固定If值下的Ic值，對Ic-If比值基本無影響，曲線形狀仍然同圖7，只是溫度升高，曲線整體下移，這個特性從Ic-Ta曲線（如圖8所示）中可以看出。
由圖8可以看出，在If大于5 mA時，Ic-Ta曲線基本上是互相平行的。
根據(jù)上述分析，以下針對不同的典型接法，對比其特性以及適用范圍。本研究以實(shí)際的隔離半橋輔助電源及反激式電源為例說明。
第1種接法中，接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng)電阻R4降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光耦的工作點(diǎn)選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。
按照前面的分析，令電流If的靜態(tài)工作點(diǎn)值大約為10 mA，對應(yīng)的光耦工作溫度在0～100℃變化，值在20～15 mA之間。一般PWM芯片的三角波幅值大小不超過3 V，由此選定電阻R4的大小為670Ω，并同時確定TL431的3腳電壓的靜態(tài)工作點(diǎn)值為12 V，那么可以選定電阻R3的值為560Ω。電阻R1與R2的值容易選取，這里取為27 k與4.7 k。電阻R5與電容C1為PI補(bǔ)償，這里取為3 k與10 nF。
實(shí)驗(yàn)中，半橋輔助電源輸出負(fù)載為控制板上的各類控制芯片，加上多路輸出中各路的死負(fù)載，最后的實(shí)際功率大約為30 w。實(shí)際測得的光耦4腳電壓（此電壓與芯片三角波相比較，從而決定驅(qū)動占空比）波形，如圖9所示。對應(yīng)的驅(qū)動信號波形，如圖10所示。
圖10的驅(qū)動波形有負(fù)電壓部分，是由于上、下管的驅(qū)動繞在一個驅(qū)動磁環(huán)上的緣故。可以看出，驅(qū)動信號的占空比比較大，大約為0.7。
對于第2種接法，一般芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器，其最大電流輸出能力為3 mA左右，超過這個電流值，誤差放大器輸出的最高電壓將下降。所以，該接法中，如果電源穩(wěn)態(tài)占空比較大，那么電流Ic比較小，其值可能僅略大于3 mA，對應(yīng)圖7，Ib為2 mA左右。由圖6可知，Ib值較小時，微小的Ib變化將引起Ic劇烈變化，光耦的增益非常大，這將導(dǎo)致閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)不容易穩(wěn)定。而如果電源穩(wěn)態(tài)占空比比較小，光耦的4腳電壓比較小，對應(yīng)電壓誤差放大器的輸出電流較大，也就是Ic比較大（遠(yuǎn)大于3 mA），則對應(yīng)的Ib也比較大，同樣對應(yīng)于圖6，當(dāng)Ib值較大時，對應(yīng)的光耦增益比較適中，閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)比較容易穩(wěn)定。
同樣，對于上面的半橋輔助電源電路，用接法2代替接法1，閉環(huán)不穩(wěn)定，用示波器觀察光耦4腳電壓波形，有明顯的振蕩。光耦的4腳輸出電壓（對應(yīng)于UC3525的誤差放大器輸出腳電壓），波形如圖11所示，可發(fā)現(xiàn)明顯的振蕩。這是由于這個半橋電源穩(wěn)態(tài)占空比比較大，按接法2則光耦增益大，系統(tǒng)不穩(wěn)定而出現(xiàn)振蕩。
實(shí)際上，第2種接法在反激電路中比較常見，這是由于反激電路一般都出于效率考慮，電路通常工作于斷續(xù)模式，驅(qū)動占空比比較小，對應(yīng)光耦電流Ic比較大，參考以上分析可知，閉環(huán)環(huán)路也比較容易穩(wěn)定。
以下是另外一個實(shí)驗(yàn)反激電路，工作在斷續(xù)模式，實(shí)際測得其光耦4腳電壓波形，如圖12所示。實(shí)際測得的驅(qū)動信號波形，如圖13所示，占空比約為0.2。
因此，在光耦反饋設(shè)計中，除了要根據(jù)光耦的特性參數(shù)來設(shè)置其外圍參數(shù)外，還應(yīng)該知道，不同占空比下對反饋方式的選取也是有限制的。反饋方式1、3適用于任何占空比情況，而反饋方式2、4比較適合于在占空比比較小的場合使用。
3 結(jié)束語
本研究列舉了4種典型光耦反饋接法，分析了各種接法下光耦反饋的原理以及各種限制因素，對比了各種接法的不同點(diǎn)。通過實(shí)際半橋和反激電路測試，驗(yàn)證了電路工作的占空比對反饋方式選取的限制。最后對光耦反饋進(jìn)行總結(jié)，對今后的光耦反饋設(shè)計具有一定的參考價值。
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