對于通常隔離的電源,光耦合器隔離反饋是一種簡單且廉價的方法。 迄今為止,尚未對各種連接方法和光耦合器反饋的差異進行更詳細的研究。 另外,在許多情況下,由于對光耦合器的工作原理了解不足,因此使光耦合器方法感到困惑,這常常導致電路無法正常工作。
以下為幾種常見的連接方法及其工作方式!
通常用于反饋的光耦合器型號為TLP521,PC817等。以TLP521為例,演示這種類型的光耦合器的特性。
TLP521的初級側對應于一個發光二極管。次級三極管電流Ic與初級二極管電流If的比值稱為光耦合器的電流放大系數,該系數隨溫度而變化,并受溫度的強烈影響。用于反饋的光耦合器使用“一次側電流的變化引起二次側電流的變化”來實現反饋。因此,在環境溫度急劇變化的情況下,增益因數的溫度漂移相對較大,因此不應通過光耦合器來盡可能多地實現。另外,在使用這種類型的光耦合器時,必須注意外圍參數的設計,以便它們在相對較寬的線性頻帶內工作。否則,電路對工作參數過于敏感,不利于光耦合器的穩定運行。
通常,選擇TL431和TLP521組合以獲得反饋。此時,TL431的工作原理與內部基準電壓為2.5V的電壓誤差放大器相同,因此應在其1引腳和3引腳之間連接一個補償網絡。圖中顯示了用于光耦合器公共反饋的第一種連接方法。在圖中,Vo是芯片的輸出電壓,Vd是芯片的電源電壓。COM信號連接到芯片的誤差放大器輸出引腳,或者PWM芯片的內部電壓誤差放大器(例如UC3525)連接到同相放大器形式,COM信號連接到其相應的同相引腳。請注意,左側的接地是輸出電壓的接地,右側的接地是芯片的電源電壓的接地。兩者通過光耦合器隔離。
圖中所示連接的工作原理如下:隨著輸出電壓的增加,TL431的引腳1的電壓(對應于電壓誤差放大器的反向輸入端)和引腳3的電壓(對應于電壓誤差放大器的輸出引腳)減小。一次電流當TLP521光耦合器增加時,光耦合器另一端的輸出電流Ic增加,電阻R4兩端的壓降增加,Com引腳電壓減小,占空比減小,輸出電壓減小,反之亦然。當輸出電壓降低時,調整過程相似。
如圖所示是常用的第二種連接方法。與第一種連接方法的不同之處在于,通過這種連接,光耦合器的第4引腳直接連接到芯片誤差放大器的輸出端子,并且芯片內部的電壓誤差放大器必須連接到非反相端,高于反相端。利用運算放大器的特性形成-當運算放大器的輸出電流太大(超過運算放大器的電流輸出電容)時,運算放大器的輸出電壓值會下降。輸出電流越大,輸出電壓下降越多。因此,在使用這種連接方法的電路中,PWM芯片的誤差放大器的兩個輸入引腳必須連接到固定電勢,并且同一方向端子的電勢必須高于反向端子的電勢。誤差放大器的初始輸出電壓高。
典型連接分析
根據以上分析,下面比較各種典型連接方法的屬性和范圍。在第一種連接方法中,連接到電壓誤差放大器輸出的電壓是通過電阻R4降低外部電壓后獲得的,可以設置光耦合器由其外部抵抗力隨意決定。根據先前的分析,電流If的靜態工作點值約為10 mA,光耦合器的相應工作溫度在0到100°C之間變化,并且該值在20到15 mA之間。通常,PWM芯片的三角波幅度不超過3V。因此,選擇電阻R4的大小為670Ω,然后可以將電阻R3的值選擇為560Ω。電阻R1和R2的值分別為27k和4.7k。電阻器R5和電容器C1為3k和10nF。在實驗中,半橋輔助電源的輸出負載由控制板上的不同控制芯片加上多通道輸出中每個通道的靜負載組成,最終實際功率約為30W。
實際如圖所示,在光耦合器的引腳4上測得的電壓(將該電壓與芯片的三角波進行比較以確定驅動器的占空比)。相應的驅動信號波形如圖所示。驅動波形具有負張力部分,因為頂部和底部管驅動器均纏繞在驅動器磁環上。可以看出,控制信號的脈沖占空因數相對較大,約為0.7。
使用第二種連接方法時,芯片中電壓誤差放大器的最大電流輸出能力約為3 mA。當超過此電流值時,誤差放大器的最大誤差輸出下降。因此,就此而言,如果電源的穩態功率相對較大,則電流Ic相對較小,并且其值只能略大于3 mA,并且Ib約為2 mA。當Ib值小時,Ib的小變化將導致Ic的急劇變化,并且光耦合器的增益將非常大,這將使閉環網絡難以穩定。當電源的穩態占空比相對較小時,來自光耦合器引腳4的電壓相對較小,并且相應的電壓誤差放大器的輸出電流也較大,即Ic相對較大(遠大于3mA),并且相應的Ib也相對較大。
類似地,對于上述半橋輔助電源電路,使用連接方法2代替連接方法1,并且閉環不穩定。用示波器觀察光耦合器4的電壓波形時,有明顯的振蕩。
實際上,第二種類型的連接在反激電路中更為常見。這是因為反激電路通常基于效率考慮。該電路通常以不連續模式工作,其占空比相對應于光耦合器電流Ic較小。從以上分析可以看出,閉環也相對容易穩定。以下是在不連續模式下運行的另一個實驗性反激電路。實際測量了來自其光耦合器引腳4的電壓波形。實際測得的驅動信號波形如圖所示,占空比約為0.2。
因此,在光耦合器反饋設計中,除了根據光耦合器的特性參數設置其外圍參數外,還應該知道在不同占空比下選擇反饋方法存在局限性。反饋方法1和3適用于任何占空比,而反饋方法2和4更適用于占空比相對較小的情況。