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(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(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 信號則接到其對應(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 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、各種接法的比較

在比較之前，需要對實(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 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，以下針對不同的典型接法，對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，對應(yīng)的光耦工作溫度在 0～100℃變化，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。對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號波形，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?？梢钥闯?，驅(qū)動(dòng)信號的占空比比較大，大約為 0.7。

對于第 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)，則對應(yīng)的 Ib 也比較大，同樣對應(yīng)于圖 6，當(dāng) Ib 值較大時(shí)，對應(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(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)際測得其光耦 4 腳電壓波形，如圖 12 所示。實(shí)際測得的驅(qū)動(dòng)信號波形，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(jié)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(diǎn)。通過實(shí)際半橋和反激電路測試，驗(yàn)證了電路工作的占空比對反饋方式選取的限制。最后對光耦反饋進(jìn)行總結(jié)，對今后的光耦反饋設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。