光耦隔离器的运用

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1、开关电源中光耦隔离的几种典型接法对比在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单、低成本的 方式。但对于光耦反馈的各种连接方式及其区别，目前尚未 见到比较深入的研究。而且在很多场合下，由于对光耦的工 作原理理解不够深入，光耦接法混乱，往往导致电路不能正 常工作。本研究将详细分析光耦工作原理，并针对光耦反馈 的几种典型接法加以对比研究。1 常见的几种连接方式及其工作原理 常用于反馈的光耦型号有 TLP521、PC817 等。这里以TLP521 为例，介绍这类光耦的特性。TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If越 大，光强越强，副边三极管的电流Ic越大。副边三极管电流 Ic 与原边二极管

2、电流 If 的比值称为光耦的电流放大系数，该 系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。作反馈用的光 耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反 馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂 比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外，使用这类光耦 必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否 则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。通常选择TL431结合TLP521进行反馈。这时，TL431的工作原理相当于一个内部基准为2.5 V的电压误差放大 器，所以在其1 脚与3 脚之间，要接补偿网络。常见的光耦反馈第 1 种接法，如图 1 所示。图中， Vo 为输出电压

3、， Vd 为芯片的供电电压。 com 信号接芯片的误 差放大器输出脚，或者把PWM芯片（如UC3525）的内部电 压误差放大器接成同相放大器形式， com 信号则接到其对应 的同相端引脚。注意左边的地为输出电压地，右边的地为芯 片供电电压地，两者之间用光耦隔离。图1 所示接法的工作原理如下：当输出电压升高时， TL431 的 1 脚（相当于电压误差放大器的反向输入端）电压上 升， 3 脚（相当于电压误差放大器的输出脚） 电压下降，光耦 TLP521的原边电流If增大，光耦的另一端输出电流Ic增 大，电阻R4上的电压降增大，com引脚电压下降，占空比 减小，输出电压减小；反之，当输出电压降低时，

4、调节过程 类似。常见的第2 种接法，如图2 所示。与第1 种接法不同的 是，该接法中光耦的第4 脚直接接到芯片的误差放大器输出 端，而芯片内部的电压误差放大器必须接成同相端电位高于 反相端电位的形式，利用运放的一种特性 当运放输出 电流过大（超过运放电流输出能力）时，运放的输出电压值将 下降，输出电流越大，输出电压下降越多。因此，采用这种 接法的电路，一定要把PWM芯片的误差放大器的两个输入 引脚接到固定电位上，且必须是同向端电位高于反向端电 位，使误差放大器初始输出电压为高。T&4 camTI,P52i图久光耦反悽第及种接渣图2光耦反按的第2种接法coniTLP521壬述TWI图 2 所示接

5、法的工作原理是：当输出电压升高时，原边 电流 If 增大，输出电流 Ic 增大，由于 Ic 已经超过了电压误 差放大器的电流输出能力， com 脚电压下降，占空比减小， 输出电压减小；反之，当输出电压下降时，调节过程类似。常见的第 3 种接法，如图3 所示。与图1 基本相似，不 同之处在于图3中多了一个电阻R6,该电阻的作用是对 TL431 额外注入一个电流，避免 TL431 因注入电流过小而不 能正常工作。实际上如适当选取电阻值R3,电阻R6可以省 略。调节过程基本上同图 1 接法一致。常见的第4种接法，如图4所示。该接法与第 2种接法 类似，区别在于com端与光耦第4脚之间多接了一个电阻

6、R4,其作用与第3种接法中的R6 一致，其工作原理基本同 接法 2。R述 TL431图3光鞭反燼的第3种接法图4光耦反愦的第4种接法T的icom11R52IcomTLP52I2 各种接法的比较在比较之前，需要对实际的光耦TLP521的几个特性曲线 作一下分析。首先是Ic-Vce曲线，如图5,图6所示。Fe/VS5 TLP521的曲釀 图S TLP521的匚-咋曲集由图5、图6可知，当If小于5 mA时，If的微小变化 都将引起Ic与Vce的剧烈变化，光耦的输出特性曲线平缓。 这时如果将光耦作为电源反馈网络的一部分，其传递函数增 益非常大。对于整个系统来说，一个非常高的增益容易引起 系统不稳定，

7、所以将光耦的静态工作点设置在电流If小于5 mA是不恰当的，设置为510 mA较恰当。此外，还需要分析光耦的Ic-If曲线，如图7所示。由图7可以看出，在电流If小于10 mA时，Ic-If基本 不变而在电流If大于10 mA之后，光耦开始趋向饱和, Ic-If 的值随着If的增大而减小。对于一个电源系统来说，如果环 路的增益是变化的，则将可能导致不稳定，所以将静态工作 点设置在If过大处（从而输出特性容易饱和），也是不合理 的。需要说明的是，Ic-If曲线是随温度变化的，但是温度变 化所影响的是在某一固定If值下的Ic值，对Ic-If比值基本无影响，曲线形状仍然同图 7，只是温度升高，曲线整

8、体下 移，这个特性从 Ic-Ta 曲线（如图 8 所示）中可以看出。TLK21的4-耳曲线1-351： ；严.4算m 4 q1申*代1电悯1illilllillr iV rr.a a k TjVas tlps加的厶-?；曲线由图8可以看出，在If大于5 mA时，Ic-Ta曲线基本 上是互相平行的。根据上述分析，以下针对不同的典型接法，对比其特性 以及适用范围。本研究以实际的隔离半桥辅助电源及反激式 电源为例说明。第 1 种接法中，接到电压误差放大器输出端的电压是外 部电压经电阻 R4 降压之后得到，不受电压误差放大器电流 输出能力影响，光耦的工作点选取可以通过其外接电阻随意 调节。按照前面的分

9、析，令电流 If 的静态工作点值大约为 10mA对应的光耦工作温度在0100C变化 值在2015 mA 之间。一般PWM芯片的三角波幅值大小不超过3 V,由此 选定电阻R4的大小为670Q，并同时确定TL431的3脚电 压的静态工作点值为12 V,那么可以选定电阻R3的值为 560Q。电阻R1与R2的值容易选取，这里取为27 k与4.7 k。电阻R5与电容C1为PI补偿，这里取为3 k与10 nF。实验中,半桥辅助电源输出负载为控制板上的各类控制 芯片,加上多路输出中各路的死负载,最后的实际功率大约 为30 w。实际测得的光耦4脚电压（此电压与芯片三角波相 比较,从而决定驱动占空比）波形,如图

10、9 所示。对应的驱动 信号波形,如图 10 所示。图 10 的驱动波形有负电压部分,是由于上、下管的驱 动绕在一个驱动磁环上的缘故。可以看出,驱动信号的占空 比比较大,大约为 0.7。8B9W电压波形 图10 半桥下管的鑿动玻孫对于第 2 种接法,一般芯片内部的电压误差放大器,其 最大电流输出能力为 3 mA 左右,超过这个电流值,误差放 大器输出的最高电压将下降。所以，该接法中，如果电源稳 态占空比较大，那么电流 Ic 比较小，其值可能仅略大于 3 mA,对应图7, lb为2 mA左右。由图6可知，lb值较小时， 微小的lb变化将引起lc剧烈变化，光耦的增益非常大，这 将导致闭环网络不容易稳

11、定。而如果电源稳态占空比比较 小,光耦的 4 脚电压比较小,对应电压误差放大器的输出电 流较大，也就是lc比较大（远大于3 mA），则对应的lb也比 较大，同样对应于图6,当lb值较大时，对应的光耦增益比 较适中,闭环网络比较容易稳定。同样,对于上面的半桥辅助电源电路,用接法2代替接 法 1,闭环不稳定,用示波器观察光耦 4 脚电压波形,有明 显的振荡。光耦的 4脚输出电压（对应于 UC3525 的误差放 大器输出脚电压）,波形如图 11 所示,可发现明显的振荡。 这是由于这个半桥电源稳态占空比比较大,按接法2则光耦 增益大,系统不稳定而出现振荡。实际上，第2 种接法在反激电路中比较常见，这是

12、由于 反激电路一般都出于效率考虑，电路通常工作于断续模式， 驱动占空比比较小，对应光耦电流Ic比较大，参考以上分析 可知，闭环环路也比较容易稳定。以下是另外一个实验反激电路，工作在断续模式，实际 测得其光耦 4 脚电压波形，如图 12 所示。实际测得的驱动 信号波形，如图 13 所示，占空比约为 0.2。图U 反激电瞽光耦4脚 电压菠擢ffiu反激电路驱动信号. . .r”-L- . . . . I I I .”.： J：:卜上 i.wv -： 孔测片 * cm z: 彳叫/电:叫3*:1因此，在光耦反馈设计中，除了要根据光耦的特性参数 来设置其外围参数外，还应该知道，不同占空比下对反馈方 式的选取也是有限制的。反馈方式 1、3 适用于任何占空比 情况，而反馈方式 2、4 比较适合于在占空比比较小的场合 使用。3 结束语本研究列举了 4 种典型光耦反馈接法，分析了各种接法下 光耦反馈的原理以及各种限制因素，对比了各种接法的不同 点。通过实际半桥和反激电路测试，验证了电路工作的占空 比对反馈方式选取的限制。最后对光耦反馈进行总结，对今 后的光耦反馈设计具有一定的参考价值。