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几种常用地光耦反馈电路指导应用

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几种常用地光耦反馈电路指导应用_第1页
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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,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, 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 TLP 521 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,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s1光耦反債第}种接法團上光的第2种接法图2所示接法的工作原理是: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 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2com2各种接法的比较Ic-Vce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曲线,如图5,图6所示h制mA图 5 TLR521 ftij< - Vtf,曲统图& TLP521 的 Zr-Vff 曲媒由图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, 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 5〜10 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,曲线整体下移,这个特性从 Ic-Ta曲线(如图8 所示)中可以看出7-23t—p'•・*严抄 0 20 W 60 rwfpga-^rm. com 8 TEP52r^/f-7;帖 t 3 io n i«g WWW.'图7 TLP52t的4・打曲域 8BR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析,令电流If的静态工作点值大约为 10 mA,对应的光耦工作温度在 0〜 100 C变化,值在20〜15 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■呻+f严7■・f P君怀.goN mvW -帀 p若(Je旳YTrhtorh9 先價血脚电压波形 圏M 舉桥下管的驱动渡竝图孕迩盘4脚电压波形桥■?管的驼动波够对于第2种接法,一般芯片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Ic剧烈变化,光耦的增益非常大,这将导 致闭环网络不容易稳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 Ic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M A Ohl / BCI4fflU光耦的4脚输出电压实际上,第2种接法在反激电路中比较常见,这是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4脚电压波形,如图以下是另外一个实验反激电路,工作在断续模式,实际测得其光耦團M 反激电圖光耦4脚 S 13反激电路趣动1W号 电压波妙 波矽因此,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6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器,其部有一个 850 nm波长AIGaAs LED和一个集成检测器组成,其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成具有温度、电流和电压补偿 功能,高的输入输出隔离,LSTTL/TTL兼容,高速(典型为10MBd),5mA的极小输入电流特性:① 转换速率高达10MBit/s;② 摆率高达10kV/us;③ 扇出系数为8;④ 逻辑电平输出;⑤ 集电极开路输出;工作参数:最大输入电流,低电平:250uA最大输入电流,高电平:15mA最大允许低电平电压(输出高):0.8v最大允许高电平电压:Vcc最大电源电压、输出:5.5V扇出(TTL负载):8个(最多)工作温度围:-40 °C to +85 C典型应用:高速数 字开关,马达控制系统和A/D转换等6N137光耦合器的部结构、管脚如图1所示6N1376N137光耦合器的真值如表1所示:6N137光耦合器的真值表输入使能输出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH需要注意的是,在6N137光耦合器的电源管脚旁应有 一个O.luF的去耦电容。

在选择电容类型时,应尽量选择高频 特性好的电容器,如瓷电容或钽电容,并且尽量靠近 6N137光耦合器的电源管脚;另外,输入使能管脚在芯片部已有上拉电阻,无需再外接上拉电阻6N137光耦合器的使用需要注意两点:第一是 6N137光耦合器的第6脚V 输出电路属于集电极开路电路,必须上 拉一个电阻;第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED,必须串接一个限流电阻6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器,其部有一个 850 nm波长AIGaAs LED和一个集成检测器组成, 其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成具有温度、电流和电压补 偿功能,高的输入输出隔离,LSTTL/TTL兼容,高速(典型为10MBd),5mA的极小输入电流特性:① 转换速率高达10MBit/s;② 摆率高达10kV/us;③ 扇出系数为8;④ 逻辑电平输出;⑤ 集电极开路输出工作参数:最大输入电流,低电平:250uA最大输入电流,高电平:15mA最大允许低电平电压(输出高):0.8v最大允许高电平电压:Vcc最大电源电压、输出:5.5V扇出(TTL负载):8个(最多)工作温度围:-40 °C to +85 °典型应用:高速数字开关,马。

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