光耦原理

光耦合器(opticalcoupler，英文縮寫為OC)亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器(紅外線發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導體管)封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數字電路上獲得廣泛的應用。

在一些實驗室或高要求場合，為了實驗人員的安全，一般將實驗的輸入電源采用1：1的工頻變壓器與市電進行隔離，這樣一來，實驗室實驗人員無論碰到線路的哪一根線都不會有觸電的危險，因為隔離電源與大地是沒有連接的。在工業(yè)控制設備中，有時候要求兩個系統(tǒng)之間的電源地線隔離，如隔離地線噪聲、隔離高共模電壓等，采用帶變壓器的直流變換器，將兩個電源之間隔開，使他們相互獨立。

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，往往導致電路不能正常工作。本研究將詳細分析光耦工作原理，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

光電耦合器具有體積小、使用壽命長、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強。無觸點且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點，因而在各種電子設備上得到廣泛的應用。光電耦合器可用于隔離電路、負載接口及各種家用電器等電路中。

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的原邊相當于一個發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強越強，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，該系數隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。

通常選擇TL431結合TLP521進行反饋。這時，TL431的工作原理相當于一個內部基準為2.5 V的電壓誤差放大器，所以在其1腳與3腳之間，要接補償網絡。

常見的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。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：當輸出電壓升高時，TL431的1腳(相當于電壓誤差放大器的反向輸入端)電壓上升，3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，當輸出電壓降低時，調節(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，利用運放的一種特性—— 當運放輸出電流過大(超過運放電流輸出能力)時，運放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。

圖2所示接法的工作原理是：當輸出電壓升高時，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，當輸出電壓下降時，調節(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。

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。

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2 各種接法的比較

在比較之前，需要對實際的光耦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絡的一部分，其傳遞函數增益非常大。

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，則將可能導致不穩(wěn)定，所以將靜態(tài)工作點設置在If過大處(從而輸出特性容易飽和)，也是不合理的。

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，光耦的工作點選取可以通過其外接電阻隨意調節(jié)。

按照前面的分析，令電流If的靜態(tài)工作點值大約為10 mA，對應的光耦工作溫度在0～100℃變化，值在20～15 mA之間。電阻R1與R2的值容易選取，這里取為27 k與4.7 k。

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實驗中，半橋輔助電源輸出負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載，最后的實際功率大約為30 w。實際測得的光耦4腳電壓(此電壓與芯片三角波相比較，從而決定驅動占空比)波形，如圖9所示。對應的驅動信號波形，如圖10所示。

圖10的驅動波形有負電壓部分，是由于上、下管的驅動繞在一個驅動磁環(huán)上的緣故。可以看出，驅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，這將導致閉環(huán)網絡不容易穩(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，對應電壓誤差放大器的輸出電流較大，也就是Ic比較大(遠大于3 mA)，則對應的Ib也比較大，同樣對應于圖6，當Ib值較大時，對應的光耦增益比較適中，閉環(huán)網絡比較容易穩(wěn)定。

實際上，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，驅動占空比比較小，對應光耦電流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。

以下是另外一個實驗反激電路，工作在斷續(xù)模式，實際測得其光耦4腳電壓波形，如圖12所示。實際測得的驅動信號波形，如圖13所示，占空比約為0.2。

因此，在光耦反饋設計中，除了要根據光耦的特性參數來設置其外圍參數外，還應該知道，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。通過實際半橋和反激電路測試，驗證了電路工作的占空比對反饋方式選取的限制。