开关电源中光耦隔离的连接方式 几种典型接法对比

开关电源概述

开(kai)关模式电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又称交换(huan)(huan)式电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)、开(kai)关变换(huan)(huan)器(qi)，是一(yi)种(zhong)(zhong)高频化电(dian)(dian)(dian)(dian)能转换(huan)(huan)装置，是电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)供应器(qi)的一(yi)种(zhong)(zhong)。其(qi)功(gong)能是将一(yi)个(ge)位准的电(dian)(dian)(dian)(dian)压，透过不(bu)同形式的架(jia)构转换(huan)(huan)为(wei)用(yong)户端所(suo)需求的电(dian)(dian)(dian)(dian)压或(huo)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)。开(kai)关电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)的输入多半(ban)是交流(liu)(liu)电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)（例(li)如市电(dian)(dian)(dian)(dian)）或(huo)是直流(liu)(liu)电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)，而输出多半(ban)是需要直流(liu)(liu)电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)的设备(bei)，例(li)如个(ge)人(ren)电(dian)(dian)(dian)(dian)脑，而开(kai)关电(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(yuan)就进(jin)行两者(zhe)之间电(dian)(dian)(dian)(dian)压及(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)的转换(huan)(huan)。

开关电源中光耦隔离的连接方式对比

在(zai)一般(ban)的(de)隔离电源(yuan)中(zhong)，光耦(ou)隔离反(fan)馈是一种简单、低成本(ben)的(de)方式(shi)。但对(dui)于(yu)光耦(ou)反(fan)馈的(de)各种连接方式(shi)及其(qi)区别，目前尚未见到(dao)比较深入的(de)研(yan)究。而且在(zai)很(hen)多场合下，由于(yu)对(dui)光耦(ou)的(de)工(gong)作原理(li)(li)(li)理(li)(li)(li)解不(bu)够(gou)深入，光耦(ou)接法混(hun)乱，往(wang)往(wang)导致(zhi)电路不(bu)能正常工(gong)作。本(ben)研(yan)究将详细分析光耦(ou)工(gong)作原理(li)(li)(li)，并针对(dui)光耦(ou)反(fan)馈的(de)几种典(dian)型接法加以(yi)对(dui)比研(yan)究。

常(chang)见(jian)的几种开关电源中光(guang)耦隔(ge)离的连(lian)接(jie)方(fang)式及其工作原理常(chang)用于反馈的光(guang)耦型号有TLP521、PC817等(deng)。这里(li)以(yi)TLP521为例(li)，介绍这类光(guang)耦的特性(xing)。

TLP521的(de)原(yuan)边相(xiang)当于(yu)(yu)一个发光二极(ji)管(guan)，原(yuan)边电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)If越(yue)(yue)大(da)，光强(qiang)越(yue)(yue)强(qiang)，副边三极(ji)管(guan)的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)Ic越(yue)(yue)大(da)。副边三极(ji)管(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)Ic与原(yuan)边二极(ji)管(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)If的(de)比值称(cheng)为(wei)光耦的(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)放大(da)系数，该系数随温(wen)度(du)变(bian)化(hua)(hua)而变(bian)化(hua)(hua)，且受温(wen)度(du)影响较大(da)。作反(fan)(fan)馈用的(de)光耦正是利(li)用“原(yuan)边电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)变(bian)化(hua)(hua)将导致副边电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)变(bian)化(hua)(hua)”来实现反(fan)(fan)馈，因此在环境温(wen)度(du)变(bian)化(hua)(hua)剧(ju)烈的(de)场(chang)合，由于(yu)(yu)放大(da)系数的(de)温(wen)漂(piao)比较大(da)，应尽量不通过光耦实现反(fan)(fan)馈。此外，使用这类光耦必须(xu)注意(yi)设(she)计外围参(can)数，使其工作在比较宽的(de)线性带内，否则电(dian)(dian)(dian)(dian)路对运(yun)行参(can)数的(de)敏感度(du)太强(qiang)，不利(li)于(yu)(yu)电(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)稳定工作。

通常(chang)选择TL431结(jie)合(he)TLP521进行反馈。这(zhei)时(shi)，TL431的工作原理相(xiang)当于一个内部基准为2.5V的电压误差(cha)放大器(qi)，所以在其(qi)1脚与3脚之间，要接补偿网络。

常(chang)见的(de)光耦反馈第1种接(jie)法，如(ru)图(tu)1所(suo)示。图(tu)中，Vo为(wei)输(shu)出(chu)电(dian)(dian)压(ya)(ya)，Vd为(wei)芯(xin)片(pian)的(de)供电(dian)(dian)电(dian)(dian)压(ya)(ya)。com信号接(jie)芯(xin)片(pian)的(de)误差放大器输(shu)出(chu)脚(jiao)，或者(zhe)把PWM芯(xin)片(pian)(如(ru)UC3525)的(de)内(nei)部电(dian)(dian)压(ya)(ya)误差放大器接(jie)成(cheng)同(tong)相放大器形式(shi)，com信号则(ze)接(jie)到(dao)其对应的(de)同(tong)相端(duan)引脚(jiao)。注意左边的(de)地为(wei)输(shu)出(chu)电(dian)(dian)压(ya)(ya)地，右边的(de)地为(wei)芯(xin)片(pian)供电(dian)(dian)电(dian)(dian)压(ya)(ya)地，两者(zhe)之(zhi)间用光耦隔离(li)。

图1所示接(jie)法(fa)的(de)工作原理如(ru)下：当输出(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)升高时，TL431的(de)1脚(相当于电(dian)(dian)(dian)压(ya)误差放大器的(de)反向输入端)电(dian)(dian)(dian)压(ya)上升，3脚(相当于电(dian)(dian)(dian)压(ya)误差放大器的(de)输出(chu)(chu)(chu)(chu)脚)电(dian)(dian)(dian)压(ya)下降(jiang)，光耦TLP521的(de)原边电(dian)(dian)(dian)流(liu)If增大，光耦的(de)另一端输出(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)流(liu)Ic增大，电(dian)(dian)(dian)阻R4上的(de)电(dian)(dian)(dian)压(ya)降(jiang)增大，com引脚电(dian)(dian)(dian)压(ya)下降(jiang)，占空(kong)比(bi)减小(xiao)(xiao)，输出(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)减小(xiao)(xiao)；反之，当输出(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)压(ya)降(jiang)低(di)时，调节过程类(lei)似。

常见的(de)(de)(de)第(di)2种(zhong)接(jie)法(fa)(fa)，如图2所示。与第(di)1种(zhong)接(jie)法(fa)(fa)不同(tong)的(de)(de)(de)是，该接(jie)法(fa)(fa)中光耦的(de)(de)(de)第(di)4脚(jiao)(jiao)直接(jie)接(jie)到芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)误(wu)差放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)输(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)端(duan)，而(er)芯(xin)片(pian)内部的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)误(wu)差放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)必须接(jie)成同(tong)相端(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)高(gao)于(yu)反相端(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)的(de)(de)(de)形式，利(li)用运(yun)放(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)一(yi)种(zhong)特(te)性(xing)——当(dang)运(yun)放(fang)(fang)(fang)输(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流过(guo)大(da)(超(chao)过(guo)运(yun)放(fang)(fang)(fang)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流输(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)能力)时(shi)，运(yun)放(fang)(fang)(fang)的(de)(de)(de)输(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)值(zhi)将下(xia)(xia)降，输(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流越大(da)，输(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)下(xia)(xia)降越多。因此，采用这种(zhong)接(jie)法(fa)(fa)的(de)(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)，一(yi)定要把PWM芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)误(wu)差放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)的(de)(de)(de)两(liang)个输(shu)入引脚(jiao)(jiao)接(jie)到固定电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)上，且必须是同(tong)向端(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)高(gao)于(yu)反向端(duan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)，使误(wu)差放(fang)(fang)(fang)大(da)器(qi)初始输(shu)出(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)为高(gao)。

随着(zhe)If的(de)增(zeng)大而(er)减小。对于一个(ge)电(dian)源系统来说，如果(guo)环路的(de)增(zeng)益(yi)是(shi)(shi)(shi)变化的(de)，则将(jiang)可(ke)能导(dao)致(zhi)不(bu)稳定，所以将(jiang)静(jing)态工作点设置在(zai)If过大处(从而(er)输出(chu)特性容(rong)易(yi)饱和)，也是(shi)(shi)(shi)不(bu)合理的(de)。需要说明(ming)的(de)是(shi)(shi)(shi)，Ic-If曲(qu)(qu)线是(shi)(shi)(shi)随温(wen)度(du)(du)变化的(de)，但是(shi)(shi)(shi)温(wen)度(du)(du)变化所影响(xiang)的(de)是(shi)(shi)(shi)在(zai)某一固定If值(zhi)下的(de)Ic值(zhi)，对Ic-If比值(zhi)基本无影响(xiang)，曲(qu)(qu)线形状仍然(ran)同图(tu)7，只(zhi)是(shi)(shi)(shi)温(wen)度(du)(du)升高，曲(qu)(qu)线整体下移，这个(ge)特性从Ic-Ta曲(qu)(qu)线(如图(tu)8所示)中可(ke)以看(kan)出(chu)。

由图8可以看出(chu)，在If大于5mA时，Ic-Ta曲(qu)线基本上是互(hu)相平行(xing)的。

开关电源中光耦隔离的连接方式-典型接法分析

根据(ju)上述分析，以下针对(dui)不同的典型接法，对(dui)比其特性以及适(shi)用范围。本研究以实际(ji)的隔离半桥(qiao)辅助电源及反(fan)激式(shi)电源为(wei)例说明。

第1种接(jie)法中，接(jie)到(dao)电压(ya)误差放(fang)大器输出端(duan)的(de)电压(ya)是外(wai)部电压(ya)经电阻R4降(jiang)压(ya)之后得到(dao)，不受电压(ya)误差放(fang)大器电流输出能力影响，光耦的(de)工作点选取(qu)可以通过其外(wai)接(jie)电阻随意(yi)调(diao)节。

按(an)照前(qian)面(mian)的(de)(de)分析(xi)，令(ling)电(dian)流(liu)If的(de)(de)静态工作点值(zhi)大(da)约为(wei)10mA，对应的(de)(de)光耦工作温度在(zai)(zai)0～100℃变化，值(zhi)在(zai)(zai)20～15mA之间。一般PWM芯片的(de)(de)三(san)角波幅值(zhi)大(da)小(xiao)不超(chao)过3V，由此选(xuan)定(ding)电(dian)阻(zu)R4的(de)(de)大(da)小(xiao)为(wei)670Ω，并同时确(que)定(ding)TL431的(de)(de)3脚电(dian)压(ya)的(de)(de)静态工作点值(zhi)为(wei)12V，那么(me)可以(yi)选(xuan)定(ding)电(dian)阻(zu)R3的(de)(de)值(zhi)为(wei)560Ω。电(dian)阻(zu)R1与R2的(de)(de)值(zhi)容易选(xuan)取(qu)，这里(li)(li)取(qu)为(wei)27k与4.7k。电(dian)阻(zu)R5与电(dian)容C1为(wei)PI补偿，这里(li)(li)取(qu)为(wei)3k与10nF。

实(shi)验(yan)中，半桥(qiao)辅(fu)助电(dian)源输(shu)出负载(zai)为控制板上的(de)各(ge)类控制芯片，加上多(duo)路输(shu)出中各(ge)路的(de)死负载(zai)，最后的(de)实(shi)际功率(lv)大约为30w。实(shi)际测(ce)得的(de)光耦4脚电(dian)压(此电(dian)压与芯片三角波相比较，从而决定驱(qu)动占空比)波形(xing)，如图(tu)9所示。对应的(de)驱(qu)动信号(hao)波形(xing)，如图(tu)10所示。

图10的驱(qu)动(dong)(dong)波形有负电压部分，是(shi)由于上、下(xia)管的驱(qu)动(dong)(dong)绕(rao)在一(yi)个驱(qu)动(dong)(dong)磁环上的缘(yuan)故(gu)。可以看出，驱(qu)动(dong)(dong)信号的占(zhan)空比比较大(da)，大(da)约为(wei)0.7。

对(dui)于(yu)第2种接法(fa)，一般芯片内部的(de)(de)(de)(de)电(dian)压(ya)(ya)误(wu)差(cha)放大器，其最大电(dian)流(liu)(liu)输(shu)出(chu)能(neng)力为3mA左(zuo)右，超过这个(ge)电(dian)流(liu)(liu)值，误(wu)差(cha)放大器输(shu)出(chu)的(de)(de)(de)(de)最高电(dian)压(ya)(ya)将下降。所以(yi)，该(gai)接法(fa)中，如果电(dian)源稳(wen)态占空比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大，那么电(dian)流(liu)(liu)Ic比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，其值可(ke)能(neng)仅略大于(yu)3mA，对(dui)应图(tu)(tu)7，Ib为2mA左(zuo)右。由图(tu)(tu)6可(ke)知，Ib值较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)时(shi)，微小(xiao)的(de)(de)(de)(de)Ib变化将引起Ic剧烈变化，光(guang)耦的(de)(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)益非常大，这将导致闭环网络(luo)不容易稳(wen)定(ding)。而如果电(dian)源稳(wen)态占空比(bi)(bi)(bi)比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，光(guang)耦的(de)(de)(de)(de)4脚(jiao)电(dian)压(ya)(ya)比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)，对(dui)应电(dian)压(ya)(ya)误(wu)差(cha)放大器的(de)(de)(de)(de)输(shu)出(chu)电(dian)流(liu)(liu)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大，也就(jiu)是Ic比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(远(yuan)大于(yu)3mA)，则对(dui)应的(de)(de)(de)(de)Ib也比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大，同样对(dui)应于(yu)图(tu)(tu)6，当Ib值较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大时(shi)，对(dui)应的(de)(de)(de)(de)光(guang)耦增(zeng)(zeng)益比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)适中，闭环网络(luo)比(bi)(bi)(bi)较(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)容易稳(wen)定(ding)。

同样，对(dui)(dui)于上(shang)面的(de)半(ban)桥(qiao)辅助(zhu)电源电路(lu)，用(yong)接法(fa)2代替(ti)接法(fa)1，闭环不稳定，用(yong)示波(bo)器观察光耦4脚(jiao)电压波(bo)形，有(you)明(ming)显的(de)振荡。光耦的(de)4脚(jiao)输出电压(对(dui)(dui)应(ying)于UC3525的(de)误差放(fang)大(da)器输出脚(jiao)电压)，波(bo)形如图11所示，可发现明(ming)显的(de)振荡。这(zhei)(zhei)是(shi)由于这(zhei)(zhei)个半(ban)桥(qiao)电源稳态(tai)占空比(bi)比(bi)较大(da)，按接法(fa)2则光耦增(zeng)益大(da)，系统不稳定而出现振荡。

实(shi)际上，第2种接法在(zai)反激(ji)电(dian)路(lu)中比(bi)较(jiao)常见，这(zhei)是由于反激(ji)电(dian)路(lu)一般都出于效率考虑(lv)，电(dian)路(lu)通常工作于断(duan)续模(mo)式，驱(qu)动占(zhan)空比(bi)比(bi)较(jiao)小，对(dui)应光耦电(dian)流Ic比(bi)较(jiao)大，参考以上分析可知，闭环环路(lu)也比(bi)较(jiao)容易(yi)稳(wen)定。

以下是另外一个实验反(fan)激电(dian)路，工作(zuo)在断(duan)续模式(shi)，实际(ji)测(ce)得(de)其光耦(ou)4脚电(dian)压波形(xing)，如图12所(suo)示。实际(ji)测(ce)得(de)的驱动信号(hao)波形(xing)，如图13所(suo)示，占空(kong)比约为(wei)0.2。

因此，在光耦反馈设(she)计(ji)中，除了要根据光耦的(de)(de)特性参数来(lai)设(she)置其外(wai)(wai)围参数外(wai)(wai)，还应该(gai)知道，不同占(zhan)空(kong)(kong)比下对反馈方式的(de)(de)选取也(ye)是(shi)有限(xian)制的(de)(de)。反馈方式1、3适用(yong)于任何占(zhan)空(kong)(kong)比情况，而反馈方式2、4比较适合(he)于在占(zhan)空(kong)(kong)比比较小(xiao)的(de)(de)场合(he)使(shi)用(yong)。

开关电源的主要用途

开关(guan)电源(yuan)产品广泛应用于工业自(zi)动化控制(zhi)、军工设(she)备(bei)(bei)、科研设(she)备(bei)(bei)、LED照明、工控设(she)备(bei)(bei)、通讯设(she)备(bei)(bei)、电力设(she)备(bei)(bei)、仪(yi)器(qi)仪(yi)表、医疗设(she)备(bei)(bei)、半导体(ti)制(zhi)冷制(zhi)热、空气(qi)净化器(qi)，电子(zi)冰箱(xiang)，液晶(jing)显(xian)示器(qi)，LED灯具，通讯设(she)备(bei)(bei)，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机(ji)箱(xiang)，数码产品和仪(yi)器(qi)类等领域(yu)。

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