TL431与TLP521的光耦反馈电路几种连接方式及其工作原理

1、TL431与TLP521的光耦反馈电路几种连接方式及其工作原理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

2、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，所以在其1脚与3脚之间，要接补 偿网络。常见的光耦反馈第1种接法，如图1所示。图中，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，或者把PWM芯片（如U C3525）的内部电压误差放大器接成同相放大器形式,com信号则接到其对应的 同相端引脚。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 1 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。常见的第 2种接法，如图2所示。与第 1 种接法不同的是，该接法中光耦的 第 4 脚直接接到芯片的误差放大器输出端，而芯片内部的电压误差放大器必须 接成同相端电位高于反相端电位的形式，利用运放的

3、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 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。r尽R、图2光耦反集的第2种接法图生光耦反银第旻种接渣comTLP 翼 1达714列coniTLP521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

4、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5 mA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5 mA是不恰当的，设置为510 mA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10 mA时，Ic-If基本不变，而在电流If大于10 mA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-T

5、a曲线（如图8所示）中可以看出。30亠0.3 0J1-25V瑤电VF r jttii巴 j it HU亠一I广加 0 m 轴 慣i so taoi. fpgaarm. comBBS TLP521的& 町腦銭0 t ? fl 30 IMFEWWW807 TLP521曲线 由图8可以看出，在If大于5 mA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10 mA，对应的光耦工作温度在0 100C变化，值在2015 mA之间。一般PWM芯片的三角波幅值大小不超过3 V,由 此选定电阻R4的大小为670Q,并同时确定TL431的3脚电压的静态工作点值为12 V， 那么可以选定电阻R3的值为560Q。电阻R1与R2的值容易选取，这里取为27 k与4. 7 k。电阻R5与电容C1为PI补偿，

6、这里取为3 k与10 nF。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30 w。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。比屛皿*pgg|F毎*阿叶Dill图9 先第4脚电压谟強 图10 騎下管的驰动液形对于第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3 mA 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3 mA,对应图7, Ib为2 mA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3 mA），则对应的Ib也比较大， 同样对应于

7、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。* Oil Z mv图12反激电路光耦琲脚團13反澈电路驱动値号电压畿孫液形因此，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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