解析開關(guān)電源中光耦的作用與光耦反饋接法

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(gè)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(jì)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(shí)，TL431的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5V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)。TL431是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管開關(guān)電源中光耦的作用

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(shí)，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(shí)，調(diào)節(jié)過程類似。開關(guān)電源中光耦的作用常見的第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(shí)，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(gè)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(shí)，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(shí)，調(diào)節(jié)過程類似。

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(gè)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(gè)特性曲線作一下分析。首先是Ic-Vce曲線，如圖5，圖6所示。開關(guān)電源中光耦的作用

由圖8可以看出，在If大于5mA時(shí)，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10mA，對應(yīng)的光耦工作溫度在0～100℃變化，值在20～15mA之間。一般PWM芯片的三角波幅值大小不超過3V，由此選定電阻R4的大小為670Ω，并同時(shí)確定TL431的3腳電壓的靜態(tài)工作點(diǎn)值為12V，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27k與4.7k。電阻R5與電容C1為PI補(bǔ)償，這里取為3k與10nF。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30w。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(gè)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。

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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)具有一定的參考價(jià)值。開關(guān)電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號和開關(guān)作用。開關(guān)電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級電壓提供的，當(dāng)輸出電壓低于穩(wěn)壓管電壓是給信號光耦接通，加大占空比，使得輸出電壓升高;反之則關(guān)斷光耦減小占空比，使得輸出電壓降低。旦高頻變壓器次級負(fù)載超載或開關(guān)電路有故障，就沒有光耦電源提供，光耦就控制著開關(guān)電路不能起振，從而保護(hù)開關(guān)管不至被擊穿燒毀。

通常光耦與TL431一起使用。下面是LED電源驅(qū)動芯片(開關(guān)電源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG03655的部分電路。兩電阻串聯(lián)取樣到431R端與內(nèi)部比較器進(jìn)行比較。然后根據(jù)比出的信號再控制431K端(陽極接光耦那一端)對地的電阻，然后達(dá)到控制光耦內(nèi)部發(fā)光二極管的亮度。(光耦內(nèi)部一邊是一發(fā)光二極管，一邊是一光敏三極管)通過發(fā)光的強(qiáng)度。控制另一端三極管的CE端的電阻也就是改變了led電源驅(qū)動芯片(開關(guān)電源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365檢測腳的電流(1腳：電壓反饋引腳，通過連接光耦到地來調(diào)整占控比)。根據(jù)電流的大小，led電源驅(qū)動芯片(開關(guān)電源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365就會自動調(diào)整輸出信號的占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365芯片是一款高集成度、高性能的PWM+MOSFET管二合一的電流型離線式開關(guān)電源控制器。適用于充電器、電源適配器、LED驅(qū)動電源等各類小功率的開關(guān)電源。采用DIP8封裝，無需加散熱器可輸出0～36W的功率(加散熱可以做到更大)。電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。具有完善的保護(hù)功能，包括過壓、欠壓、過溫、過載及短路等保護(hù)。固定振蕩頻率及抖頻功能，可以降低EMI。待機(jī)功率低，在待機(jī)時(shí)進(jìn)入跳周期模式，符合“能源之星”等待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)要求。