开关电源的光耦合隔离反馈
- 1.前言
- 2.光耦合隔离的原理
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- 2.1光耦工作原理
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- 2.1.1 术语
- 2.1.2 工作原理
- 2.1.3 光耦的分类
- 2.2 TL431的原理
- 2.3 光耦合隔离电路原理
- 3.光耦隔离计算
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- 3.1 小信号模型
- 3.2 参数计算
- 3.3 补充
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- 3.3.1 光耦输出与PWM IC 接法
- 3.3.2 输出采样点接法
1.前言
一般来说，在开关电源中，需要隔离原侧和副侧，以避免原侧高压传输到副侧影响人身安全，或原侧噪声传输到副侧，影响副侧设备的工作状态。 先主观思考，实现原副边隔离控制需要什么？ 1.可隔离装置。目前只有光隔离和磁隔离，对应光耦和变压器。 2.放大电路。因为只有放大输出的细微差别，才能准确调制输出。 目前使用最广泛的是光耦合隔离。光耦合隔离包括光耦合和三端稳压管两个核心设备。光耦合用于实现原副边缘隔离；三端稳压管用于提供环路补偿和基准电压。
2.光耦合隔离的原理
2.1光耦工作原理
2.1.1 术语
:电流传输比。光敏三极管和发光二极管的电流比。 
CTR原因如下： 1）当CTR<当副边电流达到50%时，光耦合LED导通需要大电流，增加了光耦的功耗。 2）若CTR>200%，副边电流一定时，原边电流需求很小，因此在启动电路或负载突变时，可能会误触发开关电源，影响正常输出。 CTR主要跟IF与温度有关。 光耦生产时，有几个等级，不同的等级对应不同的等级CTR。以PC以817为例，开关电源一般采用C级。 ：发光二极管和光敏三极管的隔离电压。
2.1.2 工作原理
采用电-光-电的过程。
2.1.3 光耦的分类
1)根据传输特性进行分类 分为和。 线性光耦在较大的电流范围内CTR它是线性的，而不是线性光耦。PC817是常用的线性光耦。 4N系列光耦合是一种常见的非线性光耦合，在小电流范围内为线性。使用非线性光耦合可能会振荡电路，因此通常不需要在开关电源中。，因为CTR变化很快，所以电流很容易变化。此时，应考虑光耦合的响应时间。 4N系列的CTR曲线如下，相比之下，可以看出PC817，线性范围很小。 2)按传输速度分类 分为和。 高速光耦的结构是 放大驱动电路，低速光耦的结构是（ 放大驱动电路)。光敏二极管的响应速度(升降时间)为纳秒级，光敏三极管的响应速度(升降时间)为微秒级。 6N137为高速光耦，一般用作非线性。 高低速光耦主要取决于截止频率，PC817截止频率典型值为80kHz,意思是信号高于80kHz，信号会变形N137可以做到10MHz。
2.2 TL431的原理
下面来说说TL431的原理。 从它的符号来看，它可以被认为是一个电压可调的稳压器，有些人说它实际上是一个NPN，我认为在环路中，它相当于一个带有参考电压的运输，使用它进行环路补偿是为了方便，不需要制造参考电压。 (有一个问题，既然TL431可以作为运放作为环路补偿，可以代替运放吗？？ 答案是:当然不是。 主要原因如下：
- 开环增益大，带宽大
- 负载跳变反应快 ） 上面是TL431的内部结构图非常复杂。不管怎样，它是由一堆三极管组成的，所以我们从它的简化电路和宏观理解开始。 等效电路如下： 当REF大于Vref很多时候，输出增加，三极管基极电压增加，基极电流增加，三极管饱和导通，集电极电流增加，所以Ika增加，反之亦然REF与Vref接近时，三极管处于放大状态。 注意以下几点：
- 阴极cathode电流要求大于1mA
- 阴极cathode电压大于2.5V。阴极从图中可见cathode相当于电源，因此电压必须大于内部参考电压2.5V.
2.3 光耦隔离电路原理
光耦合隔离的典型电路如下，隔离部分由PC817和TL431由控制器组成uc384x： 工作原理是:副边电压采样分压后，接收REF上。当TL431的输入大于内部Vref当发光二极管流过电流增加，光敏三极管电流增加，输出减少，占空比减小，导致输出减少。相反，增加。
3.光耦隔离计算
根据上图计算。先简单说说某些设备的功能。 R一是发光二极管的限流电阻。 R5是给TL431提供大于1mA即使光耦不工作，TL431也可以正常工作。 R四是将光敏三极管的电流转换为电压，进入UC384x的comp端。确保电压范围小于空载uc384x二极管压降1.4V，不超过满载comp最高电压。
3.1 小信号模型
如下图所示： 其中光耦部分的传递函数是CTR*R4/R1，TL431部分的传输函数为-(1 Zf/R2）,Zf为了补偿网络部分的阻抗，1是R1带来，所以整个传输函数是（CTRR4/R1）（-（1 Zf/R2））。 下面进行每一个参数的计算。
3.2 参计算
1）确定输出分压电阻R2，R3 Vref为2.5V,只要保证输出分压后是这个值就好。分压电阻选择kΩ级别，保证电流为mA级。 2)IF的选择 不同的IF对应不同的CTR。CTR的选择主要取决于用途，用在线性区，CTR选择比较小的，用于开关特性，选择CTR比较大的。开关电源中，一般选择IF=3-5mA。 3）确定光耦二极管的限流电阻R1 这里Vref选择最小值2.5V. 3) 计算TL431的补偿电流电阻R5 TL431工作至少需要1mA的电流，这个电流是光耦不工作时的最小电流。 R5两端的电压如下,除以1mA电流即为电阻值。 4）计算光耦三极管的串联电阻 知道CTR和原边的IF,可得到副边的IC，根据想要的输出电压，计算电阻。根据uc384x中3845的手册，误差放大器输出典型值，最大为6V，最小为0.7V,可设计空载时，Ic最大，comp为0.7V，满载时，comp为6V. 5)计算补偿电路 假设使用二型补偿，如下图所示。此时的Zf就用C1,C2，Rf组成的阻抗代替。 采用二型补偿网络，补偿的零点放在开环传递函数的极点处，补偿的极点放在开环传函的零点处。补偿后的图如下图的第个曲线所示，穿越频率增加，相位裕量90deg
3.3 补充
3.3.1 光耦输出与PWM IC 接法
注意这里光耦三极管进入pwm IC有两种接法，以UC384x系列进行说明。 1）将反馈fb接地，光耦的输出连接至comp 这种接法是将ic内部的误差放大器旁路掉，内部误差放大器是集电极开路输出。光耦上的电流为内部电流源1mA-流过后级比较器的电流。 2)光耦的输出连接至FB端。 两种方法都可以，不过第一种环路设计相对简单。
3.3.2 输出采样点接法
采样电压点有两种方法： 1）采样点接在LC之前，优点是LC造成的双极点不参与闭环负反馈，方便后级LC滤波；缺点是开关电源抑制外部高频噪声的能力减弱，且恶化了变换器的负载调整率（因L有内阻）； 2）采样点接在LC之后，优点是对高频噪声有更好地抑制能力，缺点是LC构成的双极点参与闭环负反馈，这极大地限制了L的大小，导致了变换器对自身开关噪声的滤波效果不如前一种接法。
参考文档 《TL431在开关电源反馈环路中的应用》 《反激开关电源中基于PC817A和TL431配合的环路动态补偿设计》 《Small-Signal Analysis and Control Design of Isolated Power Supplies With Optocoupler Feedback》