开关电源之光耦隔离反馈

1.前言
2.光耦隔离的原理
- 2.1光耦工作原理
- - 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 光耦隔离电路原理
3.光耦隔离计算
- 3.1 小信号模型
- 3.2 参数计算
- 3.3 补充
- - 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

一般在开关电源中，原副边不共地时需要隔离，这样可以避免原边的高压传到副边影响人身安全，或者原边的大噪声传到副边，影响副边器件的工作状态。
先来主观想想，要实现原副边的隔离控制需要什么？
1.可隔离的器件。目前只有光隔离和磁隔离，对应的是光耦和变压器。
2.放大电路。因为只有将输出细微差别放大了，才能将输出精确调制。
目前使用最广泛的还是光耦隔离。光耦隔离包括两个核心的器件，光耦和三端稳压管。光耦用来实现原副边隔离；三端稳压管用来提供环路补偿和基准电压。

2.光耦隔离的原理

2.1光耦工作原理

2.1.1 术语

CTR（current tansfer ratio）:电流传输比。光敏三极管和发光二极管的电流比。

CTR不能太小太大，理由如下：
1）当CTR<50%时，副边电流一定时，光耦LED导通需要较大电流，增大了光耦的功耗。
2）若CTR>200%，副边电流一定时，原边电流需要的很小，所以在启动电路或者当负载发生突变时，有可能将开关电源误触发，影响正常输出。
CTR主要跟IF和温度有关。
光耦生产时，有几个等级，不同的等级对应不同的CTR。以PC817为例，开关电源中一般C等级用的多。

隔离电压：发光二极管和光敏三极管的隔离电压。

2.1.2 工作原理

工作原理采用的是电-光-电的过程。工作电流驱动发光二极管，发出一定波长的光，被光敏三极管接收，产生一定的光电流，经过放大后输出。

2.1.3 光耦的分类

1）按传输特性分类
分为线性光耦和非线性光耦。
线性光耦在较大电流范围内CTR为线性，而非线性光耦在很小的电流区间内才为线性。PC817是常用的线性光耦。线性光耦适合传递模拟量。
4N系列光耦是常见的非线性光耦，在小电流区间内才为线性。使用非线性光耦有可能会使电路振荡，所以一般不用在开关电源中。非线性光耦比较适合用来传递数字量，因为CTR变化的快，所以电流很容易变化。这个时候要考虑光耦的响应时间。
4N系列的CTR曲线如下，可以看到相比于PC817，线性范围就非常小了。

2）按传输速度分类
分为高速光耦和低速光耦。
高速光耦的结构是光敏二极管+放大驱动电路，低速光耦的结构是光敏三极管（+放大驱动电路）。光敏二极管的响应速度（上升下降时间）是纳秒级，光敏三极管的响应速度（上升下降时间）是微秒级。
6N137是高速光耦，一般当作非线性使用。
高低速光耦主要看截止频率这个参数，PC817截止频率典型值为80kHz,意思是说信号高于80kHz，信号就会畸变。而6N137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，可以认为是个电压可调的稳压器，又有人说它其实就是一个NPN，我觉得在环路中，它相当于一个带参考电压的运放，使用它做环路补偿就是为了方便，不用造个参考电压出来。
（有个问题，既然TL431可以当作运放做为环路补偿，那是不是可以代替运放了呢？
答案是：当然不可以。
理由主要有以下两点：

运放的开环增益大，带宽大
运放输出摆率大，负载跳变时反应快
）
上面是TL431的内部结构图，很复杂，反正就是一堆三极管搭起来的，所以我们从它的简化电路出发进行分析，从宏观了解。

等效电路如下：

当REF大于Vref很多时，运放的输出增加，三极管的基极电压增加，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，反之减小当REF与Vref接近时，三极管处于放大状态。
要注意以下几点：
阴极cathode电流要求大于1mA
阴极cathode电压大于2.5V。从图可以看出阴极cathode相当于供电，所以电压必须大于内部参考电压2.5V.

2.3 光耦隔离电路原理

光耦隔离的典型电路如下，隔离部分由PC817和TL431组成，控制器用的是uc384x：

工作原理是：副边电压采样分压后，接到REF上。当TL431的输入大于内部Vref时，发光二极管流过电流增加，光敏三极管电流增加，输出减小，占空比减小，从而导致输出降低。反之，升高。

3.光耦隔离计算

依照上面的图进行说明计算。先简要说说某些器件的作用。
R1是发光二极管的限流电阻。
R5是给TL431提供大于1mA的电流，即使光耦不工作，TL431也可以正常工作。
R4是将光敏三极管的电流转换为电压，进入UC384x的comp端。电压范围要保证，空载时，小于uc384x的二极管压降1.4V，满载时不超过comp的最高电压。

3.1 小信号模型

上面的电路可以等效为下图所示：

其中光耦部分的传递函数为CTR*R4/R1，TL431部分的传递函数为-（1+Zf/R2）,Zf为补偿网络部分的阻抗，1是R1带来的，所以整个传递函数为（CTRR4/R1）（-（1+Zf/R2））。
下面进行每一个参数的计算。

3.2 参数计算

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》

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