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开关电源中的光耦电路设计

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发表于 2017-10-11 20:22:34 |只看该作者 |倒序浏览
1概述
光耦(opticalcoupler)亦称光电隔离器、光耦合器或光电耦合器。它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光二极管发出光线,光敏三极管接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。典型应用电路如下图1-1所示。
光耦的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了前端与负载完全的电气隔离,输出信号对输入端无影响,减小电路干扰,简化电路设计,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是70年代发展起来的新型器件,现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中,利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路,通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。
2光耦典型电路
常用于反馈的光耦型号有TLP521、PC817等。这里以TLP521为例,介绍这类光耦的特性。图2-1所示为光耦内部结构图以及引脚图。
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”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。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TL431结合TLP521进行反馈。这时,TL431的工作原理相当于一个内部基准为2.5 V的电压误差放大器(输出的电压进行误差放大比较,然后将取样电压经过光电偶合器反馈控制脉宽占空比,达到稳定电压的目的),所以在其1脚与3脚之间,要接补偿网络。
TL431是由德州仪器生产的可控精密稳压源,实物如图2-3所示。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从2.5V到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中用它代替稳压二极管,例如,数字电压表,运放电路,可调压电源,开关电源等。图2-2所示为TL431引脚排列与使用连线图。
常见的光耦反馈第1种接法。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。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2-3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,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。
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(脉冲宽度调制)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高。图2-3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2-4所示。与第一种基本相似,不同之处在于多了一个电阻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1接法一致。
常见的第4种接法,如图2-4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。
反馈方式1、3适用于任何占空比(接通时间与周期之比)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、小结
开关电源的光耦主要是隔离、提供反馈信号和开关作用。开关电源电路中光耦的电源是从高频变压器次级电压提供的,当输出电压低于稳压管电压是给信号光耦接通,加大占空比,使得输出电压升高;反之则关断光耦减小占空比,使得输出电压降低。旦高频变压器次级负载超载或开关电路有故障,就没有光耦电源提供,光耦就控制着开关电路不能起振,从而保护开关管不至被击穿烧毁。

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