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光耦隔離常見的幾種連接方式及其工作原理

更新時間   2020-08-05 14:55:24 深圳市克里雅半導體有限公司 閱讀

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

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(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“原邊電流變化將導致副邊電流變化”來實現(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,應盡量不通過光耦實現(xiàn)反饋。此外,使用這類光耦必須注意設計外圍參數(shù),使其工作在比較寬的線性帶內(nèi),否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強,不利于電路的穩(wěn)定工作。

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

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(相當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。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。實際上如適當選取電阻值 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 5mA 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)工作點設置在電流 If 小于 5mA 是不恰當?shù)?,設置為 5~10mA 較恰當。

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 10mA 時,Ic-If 基本不變,而在電流 If 大于 10mA 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。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 5mA 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)工作點值大約為 10mA,對應的光耦工作溫度在 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,并同時確定 TL431 的 3 腳電壓的靜態(tài)工作點值為 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 補償,這里取為 3k 與 10nF。

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 30w。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(qū)動占空比)波形,如圖 9 所示。對應的驅(qū)動信號波形,如圖 10 所示。

圖 10 的驅(qū)動波形有負電壓部分,是由于上、下管的驅(qū)動繞在一個驅(qū)動磁環(huán)上的緣故??梢钥闯?,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 3mA 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 3mA,對應圖 7,Ib 為 2mA 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(wǎng)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 3mA),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(wǎng)絡比較容易穩(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(qū)動信號波形,如圖 13 所示,占空比約為 0.2。


因此,在光耦反饋設計中,除了要根據(jù)光耦的特性參數(shù)來設置其外圍參數(shù)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(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。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。最后對光耦反饋進行總結(jié),對今后的光耦反饋設計具有一定的參考價值。


陳小姐:

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