【經(jīng)典電路】開關(guān)電源光耦電路圖分析-KIA MOS管

光耦(opticalcoupler)亦稱光電隔離器、光耦合器或光電耦合器。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器(紅外線發(fā)光二極管LED)與受光器(光敏半導(dǎo)體管)封裝在同一管殼內(nèi)。

當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光二極管發(fā)出光線，光敏三極管接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了"電"光"電"轉(zhuǎn)換。典型應(yīng)用電路如下圖1-1所示。  

光耦的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了前端與負(fù)載完全的電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無(wú)影響，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。

光耦合器是70年代發(fā)展起來(lái)的新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。

在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

光耦典型電路 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。圖2-1所示為光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以及引腳圖。   

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(lái)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(guò)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2.5 V的電壓誤差放大器(輸出的電壓進(jìn)行誤差放大比較，然后將取樣電壓經(jīng)過(guò)光電偶合器反饋控制脈寬占空比，達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的)，所以在其1腳與3腳之間，要接補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

TL431是由德州儀器生產(chǎn)的可控精密穩(wěn)壓源，實(shí)物如圖2-3所示。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意的設(shè)置到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。

該器件的典型動(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中用它代替穩(wěn)壓二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。圖2-2所示為TL431引腳排列與使用連線圖。

常見的光耦反饋第1種接法。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。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2-3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(guò)程類似。   

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(guò)大(超過(guò)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(脈沖寬度調(diào)制)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2-3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(guò)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(guò)程類似。 

常見的第3種接法，如圖2-4所示。與第一種基本相似，不同之處在于多了一個(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(guò)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(guò)程基本上同1接法一致。   

常見的第4種接法，如圖2-4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。

反饋方式1、3適用于任何占空比(接通時(shí)間與周期之比)情況，而反饋方式2、4比較適合于在占空比比較小的場(chǎng)合使用。   

小結(jié) 

開關(guān)電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號(hào)和開關(guān)作用。開關(guān)電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級(jí)電壓提供的，當(dāng)輸出電壓低于穩(wěn)壓管電壓是給信號(hào)光耦接通，加大占空比，使得輸出電壓升高；反之則關(guān)斷光耦減小占空比，使得輸出電壓降低。旦高頻變壓器次級(jí)負(fù)載超載或開關(guān)電路有故障，就沒有光耦電源提供，光耦就控制著開關(guān)電路不能起振，從而保護(hù)開關(guān)管不至被擊穿燒毀。

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