在一般的隔離電源中，光耦隔離反饋是一種簡(jiǎn)單,、低成本的方式。但對(duì)于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別,，目前尚未見(jiàn)到比較深入的研究,。而且在很多場(chǎng)合下，由于對(duì)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(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究,。
1 常見(jiàn)的幾種連接方式及其工作原理
常用于反饋的光耦型號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)反饋,，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大,，應(yīng)盡量不通過(guò)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(duì)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2.5 V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)。
常見(jiàn)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(hào)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(hào)則接到其對(duì)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??；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí),，調(diào)節(jié)過(guò)程類似,。
常見(jiàn)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(guò)大（超過(guò)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(guò)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??；反之，當(dāng)輸出電壓下降時(shí),，調(diào)節(jié)過(guò)程類似。
在一般的隔離電源中,，光耦隔離反饋是一種簡(jiǎn)單,、低成本的方式。但對(duì)于光耦反饋的各種連接方式及其區(qū)別,，目前尚未見(jiàn)到比較深入的研究,。而且在很多場(chǎng)合下，由于對(duì)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(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究,。
1 常見(jiàn)的幾種連接方式及其工作原理
常用于反饋的光耦型號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)反饋,，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大,，應(yīng)盡量不通過(guò)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(duì)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2.5 V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),。
常見(jiàn)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(hào)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(hào)則接到其對(duì)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??；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí),，調(diào)節(jié)過(guò)程類似,。
常見(jiàn)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(guò)大（超過(guò)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(guò)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??；反之，當(dāng)輸出電壓下降時(shí),，調(diào)節(jié)過(guò)程類似,。
常見(jiàn)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(gè)電阻R6,，該電阻的作用是對(duì)TL431額外注入一個(gè)電流,，避免TL431因注入電流過(guò)小而不能正常工作。實(shí)際上如適當(dāng)選取電阻值R3,，電阻R6可以省略,。調(diào)節(jié)過(guò)程基本上同圖1接法一致。
常見(jiàn)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(duì)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,。
由圖5、圖6可知,，當(dāng)If小于5 mA時(shí),，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(shí)如果將光耦作為電源反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分,，其傳遞函數(shù)增益非常大,。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)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(diǎn)設(shè)置在電流If小于5 mA是不恰當(dāng)?shù)?，設(shè)置為5～10 mA較恰當(dāng)。
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10 mA 時(shí),，Ic-If基本不變，而在電流If大于10 mA之后,，光耦開(kāi)始趨向飽和,，Ic-If的值隨著If的增大而減小。對(duì)于一個(gè)電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō),，如果環(huán)路的增益是變化的,，則將可能導(dǎo)致不穩(wěn)定，所以將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在If過(guò)大處（從而輸出特性容易飽和）,，也是不合理的,。需要說(shuō)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(duì)Ic-If比值基本無(wú)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(gè)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5 mA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(duì)不同的典型接法，對(duì)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(shuō)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(guò)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10 mA,，對(duì)應(yīng)的光耦工作溫度在0～100℃變化,，值在20～15 mA之間。一般PWM芯片的三角波幅值大小不超過(guò)3 V,，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12 V，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27 k與4.7 k。電阻R5與電容C1為PI補(bǔ)償,，這里取為3 k與10 nF,。
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30 w。實(shí)際測(cè)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(dòng)占空比）波形,，如圖9所示。對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,，如圖10所示,。
圖10的驅(qū)動(dòng)波形有負(fù)電壓部分,，是由于上,、下管的驅(qū)動(dòng)繞在一個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)上的緣故?？梢钥闯?，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比比較大，大約為0.7,。
對(duì)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3 mA左右,，超過(guò)這個(gè)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3 mA,，對(duì)應(yīng)圖7,，Ib為2 mA左右。由圖6可知,，Ib值較小時(shí),，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(dǎo)致閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)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(duì)應(yīng)電壓誤差放大器的輸出電流較大,，也就是Ic比較大（遠(yuǎn)大于3 mA），則對(duì)應(yīng)的Ib也比較大,，同樣對(duì)應(yīng)于圖6,，當(dāng)Ib值較大時(shí)，對(duì)應(yīng)的光耦增益比較適中,，閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)比較容易穩(wěn)定,。
同樣，對(duì)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(duì)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(jiàn),，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(dòng)占空比比較小,，對(duì)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(cè)得其光耦4腳電壓波形,，如圖12所示,。實(shí)際測(cè)得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(lái)設(shè)置其外圍參數(shù)外,，還應(yīng)該知道,，不同占空比下對(duì)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(chǎng)合使用,。
3 結(jié)束語(yǔ)
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(duì)比了各種接法的不同點(diǎn),。通過(guò)實(shí)際半橋和反激電路測(cè)試,，驗(yàn)證了電路工作的占空比對(duì)反饋方式選取的限制。最后對(duì)光耦反饋進(jìn)行總結(jié),，對(duì)今后的光耦反饋設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值,。