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光耦隔离的作用

光耦隔离的作用 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…

光耦隔离的作用

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m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m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*。

本文?引用地?址:http://www.eepw.com.cn/article/20×≈1807/3⌒83?540.htm?

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TLP?52?1、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&rdqu?o;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2。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内,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TL4£31结合TLP521进行反馈。这时¢,TL㈱431的工作原理相当于一个内部=基准为2.5V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,c?om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,而芯片内部的电压误差放大器必须μ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3,使误差放?大器初始输出电压为高。

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R?6一致,其工作原理基本同接法2。

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2、各种接法的比较

在比较之前,需要对实际的光耦T$LP?521的几个特性曲线作一下分析。首先是Ic-Vce曲线?,如图5,图?6所″示。

由图≮5、图6可知?,当If小于5mA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5mA是不恰当的,?设置为5~10mA较恰当。

此外,还需要分析光耦?的Ic≧-If曲线,如图7所?示。

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由图7可以看出,在电流If小于10mA时,Ic-If基本不变,而在电流If大于10mA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I?c⊙-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。

由图8可以看出,在If大于5mA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1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 光耦隔离的作用 ?可以通过其外接电阻随意调节。

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按照前⊿面的分¥析,令电?流If的静态工作点值大约为10mA,对应的光耦工作温?度在0~10?0℃变化,值在20~15mA之间。?一般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670&O?mega;o,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560&Omega‰;?。电阻R1与R2的值容易选※取,这里取为27?k与4.7k。电阻R5与电容C1为PI补偿,这里取为㏑3k与10nF。

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mol输出中∏各路的死负载,最后的实际功率大约?为30w。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?1?0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。

对于第2种接法,一般芯片内部的电压误差放大器,其最大电流输出能力为?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Ic比较小,其值可能仅略大于>3mA,对应图7,Ib为2mA左右。由图6可知,Ib值∧较小?时,微小的Ib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。3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3mA),则对应的?Ib也比较大,同样对应于图6,当Ib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。

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I?c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1?2所示。实﹥际测得的驱动信号波形,如图13所∠示,占空比约为0.2。㏒

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ml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。

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