鬼故事会 - 光耦隔离器典型电路（光耦隔离器的运用）

开关电源中光耦隔离的几种典型接法对比

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。

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TLP521、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”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2.5V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。

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R6一致，其工作原理基本同接法2。

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。

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Ic-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If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。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670Ω，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560Ω。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。

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。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Ic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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