幾種常用地光耦反饋電路指導應用

1、在一般的隔離電源中， 光耦隔離反饋是一種簡單、 低成本的方式。 但對于光耦反饋的各種連 接方式及其區(qū)別， 目前尚未見到比較深入的研究。 而且在很多場合下， 由于對光耦的工作原 理理解不夠深入， 光耦接法混亂， 往往導致電路不能正常工作。 本研究將詳細分析光耦工作 原理，并針對光耦反饋的幾種典型接法加以對比研究。1 常見的幾種連接方式及其工作原理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。TLP521 的原邊相當于一個發(fā)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

2、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 致副邊電流變化 ”來實現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數(shù)的溫漂比較 大，應盡量不通過光耦實現(xiàn)反饋。此外， 使用這類光耦必須注意設計外圍參數(shù)，使其工作在 比較寬的線性帶，否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強，不利于電路的穩(wěn)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部基準 為 2.5 V 的電壓誤差放大器，所以在其 1 腳與 3 腳之間，要接補償網(wǎng)絡。常見的光耦反饋第 1 種接法，如圖 1 所示。圖中， Vo

3、 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，或者把 PWM芯片（如UC3525）的部電壓誤差 放大器接成同相放大器形式， com 信號則接到其對應的同相端引腳。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 TLP 521 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

4、；反之，當輸出電壓降低時，調節(jié)過程類似。常見的第 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 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。s1光耦反債第種接法團上光的第2種接法圖2所示接法的工作原理是：當輸出電

5、壓升高時，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大,由于Ic已經(jīng)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(jié)過程類似。常見的第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(jié)過程基本上同圖1接法一致。常見的第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。c

6、om2各種接法的比較Ic-Vce在比較之前，需要對實際的光耦TLP521的幾個特性曲線作一下分析。首先是曲線，如圖5，圖6所示。h制mA圖 5 TLR521 ftij< - Vtf,曲統(tǒng)圖& TLP521 的 Zr-Vff 曲媒由圖5、圖6可知，當If小于5 mA時，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。這時如果將光耦作為電源反饋網(wǎng)絡的一部分，其傳遞函數(shù)增益非常大。對于整個系統(tǒng)來說，一個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)工作點設置在電流If小于5 mA是不恰當?shù)?，設置為 510 mA較恰當。此外，還需要分析光耦的Ic-If曲線，如圖7

7、所示。由圖7可以看出，在電流If小于10 mA時，Ic-If基本不變，而在電流 If大于10 mA之后，光耦開始趨向飽和，Ic-If的值隨著If的增大而減小。對于一個電源系統(tǒng)來說， 如果環(huán)路的增益是變化的，則將可能導致不穩(wěn)定，所以將靜態(tài)工作點設置在If過大處（從而輸出特性容易飽和），也是不合理的。需要說明的是，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Ic-If比值基本無影響，曲線形狀仍然同圖7,只是溫度升高，曲線整體下移，這個特性從Ic-Ta曲線（如圖8 所示）中可以看出。-7-23tp'*嚴抄 020W 60 rwfpga-rm. com

8、8 TEP52r/f-7；帖 t 3 io n i«g WWW.'圖7 TLP52t的4打曲域 8BR由圖8可以看出，在If大于5 mA時，Ic-Ta曲線基本上是互相平行的根據(jù)上述分析，以下針對不同的典型接法，對比其特性以及適用圍。本研究以實際的隔離半橋輔助電源及反激式電源為例說明。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，光耦的工作點選取可以通過其外接電阻隨意調節(jié)。按照前面的分析，令電流If的靜態(tài)工作點值大約為 10 mA,對應的光耦工作溫度在 0 100 C變化，值在2015 mA之間。一般 PWM芯

9、片的三角波幅值大小不超過 3 V,由 此選定電阻R4的大小為670Q，并同時確定TL431的3腳電壓的靜態(tài)工作點值為 12 V , 那么可以選定電阻 R3的值為560Q。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補償，這里取為 3 k與10 nF。實驗中，半橋輔助電源輸出負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載，最后的實際功率大約為30 w。實際測得的光耦 4腳電壓（此電壓與芯片三角波相比較，從而決定驅動占空比）波形，如圖9所示。對應的驅動信號波形，如圖10所示。圖10的驅動波形有負電壓部分，是由于上、下管的驅動繞在一個驅動磁環(huán)上的緣

10、故。呻+f嚴7f P君懷.goNmvW-帀 p若（Je旳YTrhtorh9 先價血腳電壓波形 圏M 舉橋下管的驅動渡竝圖孕邇盤4腳電壓波形橋?管的駝動波夠對于第2種接法，一般芯片部的電壓誤差放大器，其最大電流輸出能力為3 mA左右,超過這個電流值，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 ,對應圖7, lb為2 mA左右。由圖6可知，lb值較小時，微小的lb變化將引起Ic劇烈變化，光耦的增益非常大，這將導 致閉環(huán)網(wǎng)絡不容易穩(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，對應電壓誤差放大器的輸出電流較大，也就是

11、Ic比較大（遠大于3 mA），則對應的lb也比較大， 同樣對應于圖6，當lb值較大時，對應的光耦增益比較適中，閉環(huán)網(wǎng)絡比較容易穩(wěn)定。同樣，對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（對應于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。MA Ohl / BCI4fflU光耦的4腳輸出電壓實際上，第2種接法在反激電路中比較常見，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，驅動占空比比較小

12、，對應光耦電流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。4腳電壓波形，如圖以下是另外一個實驗反激電路，工作在斷續(xù)模式，實際測得其光耦團M 反激電圖光耦4腳 S 13反激電路趣動1W號 電壓波妙波矽因此，在光耦反饋設計中，除了要根據(jù)光耦的特性參數(shù)來設置其外圍參數(shù)外，還應該知 道，不同占空比下對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合使用。3結束語本研究列舉了 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，對比了各種接法的不同點。通過實際半橋和反激電路測試，驗證了電路工作的占空比對反饋方式選

13、取的限制。最后對光耦反饋進行總結，對今后的光耦反饋設計具有一定的參考價值6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其部有一個850 nm波長AIGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補償 功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd），5mA的極小輸入電流。特性： 轉換速率高達10MBit/s; 擺率高達10kV/us; 扇出系數(shù)為8; 邏輯電平輸出； 集電極開路輸出；工作參數(shù)：最大輸入電流，低電平：250uA最大輸入電流，高電平：15mA最大允許低電平電壓（

14、輸出高）：0.8v最大允許高電平電壓：Vcc最大電源電壓、輸出：5.5V扇出（TTL負載）：8個（最多）工作溫度圍：-40 °C to +85 C典型應用：高速數(shù) 字開關，馬達控制系統(tǒng)和A/D轉換等6N137光耦合器的部結構、管腳如圖1所示6N1376N137光耦合器的真值如表1所示:6N137光耦合器的真值表輸入使能輸出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH需要注意的是，在6N137光耦合器的電源管腳旁應有 一個O.luF的去耦電容。在選擇電容類型時，應盡量選擇高頻 特性好的電容器，如瓷電容或鉭電容，并且盡量靠近6N137光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片部已有上拉電阻

15、，無需再外接上拉電阻。6N137光耦合器的使用需要注意兩點：第一是 6N137光耦合器的第6腳V 輸出電路屬于集電極開路電路，必須上 拉一個電阻；第二是6N137光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個LED，必須串接一個限流電阻。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其部有一個 850 nm波長AIGaAs LED和一個集成檢測器組成, 其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補 償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd），5mA的極小輸入電流。特性： 轉換速率高達10MBit/s; 擺率高達

16、10kV/us; 扇出系數(shù)為8; 邏輯電平輸出； 集電極開路輸出工作參數(shù)：最大輸入電流，低電平：250uA最大輸入電流，高電平：15mA最大允許低電平電壓（輸出高）：0.8v最大允許高電平電壓：Vcc最大電源電壓、輸出：5.5V扇出（TTL負載）：8個（最多）工作溫度圍：-40 °C to +85 °典型應用：高速數(shù)字開關，馬達控制系統(tǒng)和A/D轉換等6N137光耦合器的部結構、管腳如圖1所示。6N1376N137光耦合器的真值如表1所示:6N137光耦合器的真值表輸入使能輸出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH需要注意的是，在6N137光耦合器的電源管腳旁應有 一個0.

17、1uF的去耦電容。在選擇電容類型時，應盡量選擇高頻 特性好的電容器，如瓷電容或鉭電容，并且盡量靠近6N137光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片部已有上拉電阻，無需再外接上拉電阻。6N137光耦合器的使用需要注意兩點：第一是 6N137光耦合器的第6腳Vo輸出電路屬于集電極開路電路，必須上 拉一個電阻；第二是6N137光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個LED，必須串接一個限流電阻。6N137光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其部有一個850 nm波長AIGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。具有溫度

18、、電流和電壓補償功能，高的輸入輸出隔離，LSTTL/TTL兼容，高速（典型為10MBd），5mA的極小輸入電流。 轉換速率高達 10MBit/s; 擺率高達 10kV/us; 扇出系數(shù)為 8; 邏輯電平輸出 ; 集電極開路輸出 ;工作參數(shù)：最大輸入電流，低電平： 250uA 最大輸入電流，高電平： 15mA 最大允許低電平電壓 （輸出高 ）：0.8v 最大允許高電平電壓： Vcc 最大電源電壓、輸出： 5.5V扇出（TTL負載）：8個（最多）工作溫度圍： -40 °C to +85 °C典型應用：高速數(shù)字開關，馬達控制系統(tǒng)和 A/D 轉換等6N137 光耦合器的部結構、管腳

19、如圖 1 所示。6N137 光耦合器的真值如表 1 所示：6N137 光耦合器的真值表輸入 使能 輸出H H LL H HH L HL L HH NC LL NC H需要注意的是，在 6N137 光耦合器的電源管腳旁應有 個 0.1uF 的去耦電容。在選擇電容類型時，應盡量選擇高頻特性好的電 容器，如瓷電容或鉭電容，并且盡量靠近 6N137 光耦合器的電源管腳；另外，輸入使能管腳在芯片部已有上拉電阻，無需再外 接上拉電阻。6N137光耦合器的使用需要注意兩點：第一是6N137光耦合器的第6腳Vo輸出電路屬于集電極開路電路，必須上拉一個電阻;第二是6N137光耦合器的第2腳和第3腳之間是一個LE

20、D，必須串接一個限流電阻。一、6N137原理及典型用法6N137 的結構原理如圖 1所示，信號從腳 2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光 照后導通，經(jīng)電流 -電壓轉換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當使能端為高時與門輸出高電平，經(jīng)輸出 三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當輸入信號電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開 路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調整電路。簡單的原理如圖 2所示，若以腳 2為輸入，腳 3接地，則真值表如附表所列，這相當于非門的傳輸，若希望在傳輸過程中不改 變邏輯狀態(tài)，則從腳 3 輸入，腳

21、 2 接高電平。6N137 真值表 輸入 使能 輸出H H LL H HH L HL L H隔離器使用方法如圖2所示，假設輸入端屬于模塊I,輸出端屬于模塊II。輸入端有A、B兩種接法，分別得到反相或同相邏輯 傳輸，其中 RF 為限流電阻。 發(fā)光二極管正向電流 0-250uA ，光敏管不導通； 發(fā)光二極管正向壓降 1.2-1.7V ，正向電流 6.5-15mA ， 光敏管導通。若以B方法連接，TTL電平輸入，Vcc為5V時，RF可選500Q左右。如果不加限流電阻或阻值很小，6N137仍能工作，但發(fā)光二極管導通電流很大對 Vcc1 有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時，上升、下降沿的頻譜很寬，會造成相

22、當大的 尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會使地線吸收不了這種噪聲，其峰-峰值可達100mV以上，足以使模擬電路產(chǎn)生自激， A/D 不能正常工作。所以在可能的情況下， RF 應盡量取大。輸出端由模塊II供電，。在Vcc2 （腳8）和地（腳5）之間必須接一個O.luF高頻特性良好的電容，如瓷介質或 鉭電容，而且應盡量放在腳 5 和腳 8 附近。這個電容可以吸收電源線上的紋波，又可以減小光電隔離器接受端開關工作時對電 源的沖擊。腳7是使能端，當它在0-0.8V時強制輸出為高（開路）；當它在2.0V-VCC2時允許接收端工作，見附表。腳6是集電極開路輸出端，通常加上拉電阻RL。雖然輸出低電平時

23、可吸收電路達 13mA，但仍應當根據(jù)后級輸入電路的需要選擇阻值。因為電阻太小會使 6N137 耗電增大，加大對電源的沖擊，使旁路電容無法吸收，而干擾整個模塊的電源，甚至把尖峰 噪聲帶到地線上。一般可選 4.7k Q,若后級是TTL輸入電路，且只有1到2個負載，則用47kQ或15kQ也行。CL是輸出負載 的等效電容，它和 RL影響器件的響應時間，當 RL=350Q，CL=15pF時，響應延遲為48-75ns。注意：6N137不應使用太多， 因為它的輸入電容有60pF，若過多使用會降低高速電路的性能。情況允許時，可考慮把并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串行化，由一個光電隔 離器傳送。二 6N137 應用實例信號采集

24、系統(tǒng)通常是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，其中模數(shù)變換是不可缺少的。從信號通路來說，AD 變換之前是模擬電路，之后是數(shù)字電路。模擬電路和 AD 變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評價采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關鍵參數(shù)。為了提高信噪比，通 常要想辦法抑制系統(tǒng)中噪聲對模擬和 AD 電路的干擾。 在各種噪聲當中， 由數(shù)字電路產(chǎn)生并串入模擬及 AD 電路的噪聲普遍存在 且較難克服。數(shù)字電平上下跳變時集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺，通常對開關電源影響比線性電源大，因為開關 電源在開關周期不能響應電流突變，而僅由電容提供電流的變化部分。一般數(shù)字電路越復雜，數(shù)據(jù)速率越高，累積的電流跳變 越強烈，高頻分量越豐富。而普

25、通印刷電路的分布電感較大，使地線不能完全吸收邏輯電平跳變產(chǎn)生的電流高頻分量，產(chǎn)生電 壓的毛刺，而這種毛刺進入地線后就不能靠旁路電容吸收了，而且會通過共同的地線或穿過變壓器，干擾模擬電路和AD 轉換器，其幅度可高達幾百毫伏，足以使 AD 工作不正常。本所研制的機載三通道紅外成像掃描儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 要求信噪比 1000，12位量化級別，并行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率 500KB/s。 要達到上述要求， AD 能否達到轉換精度是個關鍵。在未采用光電隔離器的電路中，雖采取了一系列措施，但因各模塊間地線相 連，數(shù)字電路中尖峰噪聲影響仍很大，系統(tǒng)信噪比僅達 500.故我們采用 6N137 將模擬電路及 AD

26、 變換器和數(shù)字電路徹底隔離， 電路如圖 3所示。電源部分由隔離變壓器隔離，減少電網(wǎng)中的噪聲影響，數(shù)字電源和模擬電源不共地，由于模擬電路一般只有±15V，而AD轉換器還需要+5V電源，為使數(shù)字電路與模擬電路真正隔離， +5V電源由+15V模擬電源經(jīng)DC-DC變換器得到。模擬電路以及 AD 轉換電路與數(shù)字電路的信號聯(lián)系都通過 6N137。逐次比較型AD并行輸出12位數(shù)據(jù)，每一路信號經(jīng)緩存器后送入 6N137的腳 3，進行同相邏輯傳輸至數(shù)字電路，輸入端限流電阻選用 470 Q，輸出端上拉電阻選用 47k Q，輸出端電源和地間（即 6N137的 腳8與腳5間）接0.1uF瓷片電容，作為旁路電

27、容以減少對電源的干擾， 6N137的使能端接選通信號，使6N137在數(shù)據(jù)有效時 才工作，減少工作電流。模擬電路和 AD 轉換所需的各路控制信號也通過 6N137 接收，接法同上，在時序設計中要特別注意 6N137 約有 50ns 的延時，與未采用光電隔離器的數(shù)據(jù)采集電路相比，系統(tǒng)信噪比提高了一倍以上，滿足了系統(tǒng)設計要求。高速光電耦合器6N137原理與應用星期三,一月 14, 2009 19:59MAJI發(fā)布：日志分類 電氣|科技高速光電耦合器6N137由磷砷化傢發(fā)光二極管和光敏集 成檢測電路組成。通過光敏二極管接收信號并經(jīng)部高增益線性放大器把信號放大 后，由集電極開路門輸出。6N137引腳圖和

28、部結構圖如圖1和圖2所示。該光電 器件高、低電平傳輸延遲時間短，典型值僅為45ns ,已接近TTL電路傳輸延遲時 間的水平。具有10Mbps的高速性能，因而在傳輸速度上完全能夠滿足隔離總線 的要求。部噪聲防護裝置提供了典型10kV/卩s的共模抑制功能。除此之外，6N137 還具有一個控制端，通過對該端的控制，可使光耦輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。1:N.C. ; 2:Anode （陽極）;3:Cathode （陰極）;4:N.C. ; 5:GND 6:0utput（0pen collector開路集電極）；7:Enable （使能端）；8:VCC6N137原理及典型用法6N137的部結構原理如圖3所示，信號從腳2和腳3輸 入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導 通，經(jīng)電流-電壓轉換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端， 當使能端為高時與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。 當輸入信號電流小于觸發(fā)閾值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調整電路。裘1推薦便用工作條件符號罠十最大單位輸入由涼氏低電平IXL02BO比A輸入電流，高電平IFH6, S15imAr便能電壓j氐電平VEL00*8V侵能電壓,高電平VEH2