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上传时间: 2019-09-14
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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