干貨｜開關電源中的光耦經典電路設計分析

電子工程世界 2021-08-21 07:30

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光耦(opticalcoupler)亦稱光電隔離器、光耦合器或光電耦合器。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發光器(紅外線發光二極管LED)與受光器(光敏半導體管)封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光二極管發出光線，光敏三極管接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。典型應用電路如下圖1-1所示。

光耦的主要優點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了前端與負載完全的電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，減小電路干擾，簡化電路設計，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發展起來的新型器件，現已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節控制端電流來改變占空比，達到精密穩壓目的。

光耦典型電路

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。圖2-1所示為光耦內部結構圖以及引腳圖。

TLP521的原邊相當于一個發光二極管，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，該系數隨溫度變化而變化，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”來實現反饋，因此在環境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數的溫漂比較大，應盡量不通過光耦實現反饋。此外，使用這類光耦必須注意設計外圍參數，使其工作在比較寬的線性帶內，否則電路對運行參數的敏感度太強，不利于電路的穩定工作。

通常選擇TL431結合TLP521進行反饋。這時，TL431的工作原理相當于一個內部基準為2.5 V的電壓誤差放大器（輸出的電壓進行誤差放大比較，然后將取樣電壓經過光電偶合器反饋控制脈寬占空比，達到穩定電壓的目的），所以在其1腳與3腳之間，要接補償網絡。

TL431是由德州儀器生產的可控精密穩壓源，實物如圖2-3所示。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從2.5V到36V范圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，在很多應用中用它代替穩壓二極管，例如，數字電壓表，運放電路，可調壓電源，開關電源等。圖2-2所示為TL431引腳排列與使用連線圖。

常見的光耦反饋第1種接法。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。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2-3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，調節過程類似。

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（脈沖寬度調制）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2-3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，調節過程類似。

常見的第3種接法，如圖2-4所示。與第一種基本相似，不同之處在于多了一個電阻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。調節過程基本上同1接法一致。

常見的第4種接法，如圖2-4所示。該接法與第2種接法類似，區別在于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。

反饋方式1、3適用于任何占空比（接通時間與周期之比）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。

小結

開關電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號和開關作用。開關電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級電壓提供的，當輸出電壓低于穩壓管電壓是給信號光耦接通，加大占空比，使得輸出電壓升高；反之則關斷光耦減小占空比，使得輸出電壓降低。旦高頻變壓器次級負載超載或開關電路有故障，就沒有光耦電源提供，光耦就控制著開關電路不能起振，從而保護開關管不至被擊穿燒毀。