光耦隔離反饋方式的對(duì)比研究

光耦隔離反饋方式的對(duì)比研究

0連接方式對(duì)光催化反應(yīng)的影響在一般的隔離電源中，光橋隔離反饋是一種簡(jiǎn)單且廉價(jià)的方法。但對(duì)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(chǎng)合下,由于對(duì)光耦的工作原理理解不夠深入,光耦接法混亂,往往導(dǎo)致電路不能正常工作。本研究將詳細(xì)分析光耦工作原理,并針對(duì)光耦反饋的幾種典型接法加以對(duì)比研究。1光催化機(jī)驅(qū)動(dòng)的tl491光催化機(jī)制常用于反饋的光耦型號(hào)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(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管,原邊電流If越大,光強(qiáng)越強(qiáng),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(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(dǎo)致副邊電流變化”來實(shí)現(xiàn)反饋,因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場(chǎng)合,由于放大系數(shù)的溫漂比較大,應(yīng)盡量不通過光耦實(shí)現(xiàn)反饋。此外,使用這類光耦必須注意設(shè)計(jì)外圍參數(shù),使其工作在比較寬的線性帶內(nèi),否則電路對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感度太強(qiáng),不利于電路的穩(wěn)定工作。通常選擇TL431結(jié)合TLP521進(jìn)行反饋。這時(shí),TL431的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5V的電壓誤差放大器,所以在其1腳與3腳之間,要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。常見的光耦反饋第1種接法,如圖1所示。圖中,Vo為輸出電壓,Vd為芯片的供電電壓。com信號(hào)接芯片的誤差放大器輸出腳,或者把PWM芯片(如UC3525)的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器形式,com信號(hào)則接到其對(duì)應(yīng)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(dāng)輸出電壓升高時(shí),TL431的1腳(相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端)電壓上升,3腳(相當(dāng)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(dāng)輸出電壓降低時(shí),調(diào)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,而芯片內(nèi)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(yùn)放的一種特性——當(dāng)運(yùn)放輸出電流過大(超過運(yùn)放電流輸出能力)時(shí),運(yùn)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(gè)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所示接法的工作原理是:當(dāng)輸出電壓升高時(shí),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(dāng)輸出電壓下降時(shí),調(diào)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(gè)電阻R6,該電阻的作用是對(duì)TL431額外注入一個(gè)電流,避免TL431因注入電流過小而不能正常工作。實(shí)際上如適當(dāng)選取電阻值R3,電阻R6可以省略。調(diào)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(gè)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。2光催化機(jī)電接法介紹在比較之前,需要對(duì)實(shí)際的光耦TLP521的幾個(gè)特性曲線作一下分析。首先是Ic-Vce曲線,如圖5,圖6所示。由圖5、圖6可知,當(dāng)If小于5mA時(shí),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(shí)如果將光耦作為電源反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分,其傳遞函數(shù)增益非常大。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說,一個(gè)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(diǎn)設(shè)置在電流If小于5mA是不恰當(dāng)?shù)?設(shè)置為5～10mA較恰當(dāng)。此外,還需要分析光耦的Ic-If曲線,如圖7所示。由圖7可以看出,在電流If小于10mA時(shí),Ic-If基本不變,而在電流If大于10mA之后,光耦開始趨向飽和,Ic-If的值隨著If的增大而減小。對(duì)于一個(gè)電源系統(tǒng)來說,如果環(huán)路的增益是變化的,則將可能導(dǎo)致不穩(wěn)定,所以將靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)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(duì)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(gè)特性從Ic-Ta曲線(如圖8所示)中可以看出。由圖8可以看出,在If大于5mA時(shí),Ic-Ta曲線基本上是互相平行的。根據(jù)上述分析,以下針對(duì)不同的典型接法,對(duì)比其特性以及適用范圍。本研究以實(shí)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(diǎn)選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。按照前面的分析,令電流If的靜態(tài)工作點(diǎn)值大約為10mA,對(duì)應(yīng)的光耦工作溫度在0～100℃變化,Ic值在20～15mA之間。一般PWM芯片的三角波幅值大小不超過3V,由此選定電阻R4的大小為670Ω,并同時(shí)確定TL431的3腳電壓的靜態(tài)工作點(diǎn)值為12V,那么可以選定電阻R3的值為560Ω。電阻R1與R2的值容易選取,這里取為27k與4.7k。電阻R5與電容C1為PI補(bǔ)償,這里取為3k與10nF。實(shí)驗(yàn)中,半橋輔助電源輸出負(fù)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(fù)載,最后的實(shí)際功率大約為30W。實(shí)際測(cè)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(qū)動(dòng)占空比)波形,如圖9所示。對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,如圖10所示。圖10的驅(qū)動(dòng)波形有負(fù)電壓部分,是由于上、下管的驅(qū)動(dòng)繞在一個(gè)驅(qū)動(dòng)磁環(huán)上的緣故。可以看出,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比比較大,大約為0.7。對(duì)于第2種接法,一般芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器,其最大電流輸出能力為3mA左右,超過這個(gè)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3mA,對(duì)應(yīng)圖7,Ib為2mA左右。由圖6可知,Ib值較小時(shí),微小的Ib變化將引起Ic劇烈變化,光耦的增益非常大,這將導(dǎo)致閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)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(duì)應(yīng)電壓誤差放大器的輸出電流較大,也就是Ic比較大(遠(yuǎn)大于3mA),則對(duì)應(yīng)的Ib也比較大,同樣對(duì)應(yīng)于圖6,當(dāng)Ib值較大時(shí),對(duì)應(yīng)的光耦增益比較適中,閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)比較容易穩(wěn)定。同樣,對(duì)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(duì)應(yīng)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(gè)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。實(shí)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(qū)動(dòng)占空比比較小,對(duì)應(yīng)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。以下是另外一個(gè)實(shí)驗(yàn)反激電路,工作在斷續(xù)模式,實(shí)際測(cè)得其光耦4腳電壓波形,如圖12所示。實(shí)際測(cè)得的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,如圖13所示,占空比約為0.2。因此,在光耦反饋設(shè)計(jì)中,除了要根據(jù)光耦的特性參數(shù)來設(shè)置其外圍參數(shù)外,還應(yīng)該知道,不同占空比下對(duì)反饋方式的選取也是有限制的。反饋方式1、3適用