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文件名称: 基于开关电源中光耦的作用.pdf
  所属分类: 其它
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  上传时间: 2019-09-14
  提 供 者: weixin_********
 详细说明:基于开关电源中光耦的作用pdf,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1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。TL431AB系列 符号 代表性原理图 元件值为标称值 阴极 极冈 参考 参考 阳极 R 20 pF 328k 40k 代表性框图 24k37283 参考 阴极 800 25V 极 阳极 此器件包含12个晶体管 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 电流增大,光耦的另一端输出电流lc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。 R R R R R, com coi R TLP521 R TP521 C 1L431 TL431 SR R2 图1光耦反馈第1种接法图2光耦反馈的第2种接法 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 图2所示接法的工作原理是:当输出电压升高时,原边电 流肝增大,输出电流l增大,由于lc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 之处在丁图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2。 £RERR RR套R com com W R TLP521 R TLP521 C C TL431 PR. >R 图3光耦反馈的第3种接法图4光耦反馈的第4种接法 2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cvce曲线,如图5,图6所示。 80 T25℃ 25 T-2s t 50 mA 20 mA 5 l0m粪 15 mA 5 mA 0 15mA 1 0204D608LD1214 a 图5TIP521的-v曲线图6TLP51的-V曲线 由图5、图6可知,当阡小于5mA时,的微小变化都 将引起lc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小于5mA是不恰当的, 设置为5~10mA较恰当。 此外,还需要分析光耦的c曲线,如图7所示。 由图7可以看出,在电流小于10mA时,c-基本不变, 而在电流I大于10mA之后,光耦开始趋向饱和,lc-的值随 着忏的增大而减小。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,c-f 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I 值下的c值,对lc-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cTa曲线(如图8 所示)中可以看出。 D 30 10 MPLE smA 10 SAMPLE 05 03 ■ ■EuII ■■L =0.5mA 0n5 003 03 1D0 80100 F.AmA T 图7TLR2I的I一l曲线图8mP52r的I-T曲线 由图8可以看出,在大于5mA时,c-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 按照前面的分析,令电流的静态工作点值大约为10mA, 对应的光耦工作温度在0~100℃变化,值在20~15mA之间。 般PWM芯片的三角波幅值大小不超过3V,由此选定电阻R4 的大小为6709,并同时确定TL431的3脚电压的静态工作点值 为12V,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27k与4.7k。电阻R5与电容C1为 Pl补偿,这里取为3k与10nF。 实验中,半桥辅助电源输岀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。可以看出,驱动信号的占空比比较 大,大约为0.7。 ”””””” …:""““22 果图用日围干干圆 14 H 15, 0ut A chi F 150 日201 图9光耦4脚电压波形图10半桥下管的驱动波形 对于第2种接法,一般芯片内部的电压误差放大器,其最 大电流输岀能力为3mA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c比较小,其值可能仅略大于3mA,对应图7, b为2mA左右。h图6可知,lb值较小时,微小的变化将 引起l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,也就是比较大(远大于 3mA),则对应的b也比较大,同样对应于图6,当b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 ,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U3525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 AAAA 而出现振荡。郾1l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lc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
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