详细分析光耦合器的工作原理和几种典型的光耦合器反馈连接方法

在一般的隔离电源中，光耦合器隔离反馈是一种简单且低成本的方法. 但是，由于各种连接方法和光耦合器反馈的差异，尚未进行较深入的研究. 并且在许多情况下，由于对光耦合器的工作原理的了解不足，因此光耦合方法令人困惑，常常导致电路无法正常工作. 本研究将详细分析光耦合器的工作原理，并对几种典型的光耦合器反馈连接方法进行比较和研究.

1. 几种常见的连接方法及其工作原理

通常用于反馈的光耦合器型号为TLP521，PC817等. 这里以TLP521为例介绍这种类型的光耦合器的特性. TLP521的初级侧等效于发光二极管. 初级侧电流If越大，光强度越强，次级侧晶体管电流Ic越大. 次级晶体管电流Ic与初级二极管电流If的比值称为光耦合器的电流放大系数，该系数随温度变化，并受温度的影响很大. 用于反馈的光耦合器是利用“一次电流变化会引起二次电流变化”来实现反馈的. 因此，在环境温度急剧变化的情况下，由于放大系数的温度漂移较大，因此不应通过光耦反馈来实现.

此参数的设计，使其在相对较宽的线性频带内工作，否则电路对工作参数过于敏感，不利于稳定. 电路的操作. 通常选择TL431和TLP521结合使用以获得反馈. 此时，TL431的工作原理等效于内部基准电压为2.5V的电压误差放大器，因此必须在其1引脚和3引脚之间连接一个补偿网络. 公共光耦合器反馈的第一个连接如图1所示. 在该图中，Vo是输出电压，Vd是芯片的电源电压. com信号连接到芯片的误差放大器的输出引脚，或者PWM芯片的内部电压误差放大器（例如UC3525）作为同相放大器连接，并且com信号连接到其相应的同相端子引脚.

请注意，左侧的接地是输出电压接地，而右侧的接地是芯片的电源电压接地. 图1所示的连接工作原理如下: 当输出电压上升时，TL431的引脚1的电压（相当于电压误差放大器的反向输入端子）上升，而引脚3的电压上升（相当于电压误差放大器的输出引脚）光耦合器TLP521的初级电流If增大，光耦合器另一端的输出电流Ic增大，电阻R4两端的压降增大，com引脚电压减小，占空比减小，输出电压减小. 相反，当输出电压降低时，调整过程与此类似.

常见的第二种连接方法如图2所示. 与第一种连接方法不同，在这种连接中，光耦合器的第四个引脚直接连接到芯片的误差放大器的输出，电压误差放大器的输出芯片内部必须连接到高于反相端子电位的同相端子电位. 形式上，利用运放的特性-当运放的输出电流太大（超过运放的输出容量）时，运放的输出电压值将降低. 输出电流越大，输出电压下降越多. 因此，使用这种连接方法的电路必须将PWM芯片的误差放大器的两个输入引脚连接到固定电势，并且同一方向端子的电势高于反向端子的电势，以便初始输出误差放大器的电压高.

图2所示连接的工作原理是: 当输出电压增加时，初级电流If增加，输出电流Ic增加，因为Ic已超过电压误差放大器的电流输出能力，com引脚电压当输出电压减小时，占空比减小，输出电压减小. 相反，当输出电压降低时，调整过程与此类似.

常见的第三种连接方法如图3所示. 基本类似于图1，不同之处在于，图3中有一个附加电阻R6，此电阻的作用是向TL431注入附加电流，以避免使用TL431，因为注入电流太小而无法正常工作. 实际上，如果适当选择电阻值R3，则可以省略电阻R6. 调整过程基本上与图1中的连接相同.

常见的第四种连接方法如图4所示. 此连接类似于第二种连接. 不同之处在于，在com端子和光耦合器的第四个引脚之间连接了一个附加电阻器R4. 其功能与第三连接中的R6相同. 其工作原理与连接基本相同. 2.

2. 各种连接方式的比较

在进行比较之前，我们需要分析实际光耦合器TLP521的几条特性曲线. 首先是Ic-Vce曲线，如图5和图6所示.

从图5和图6中可以看出，当If小于5mA时，If的微小变化将引起Ic和Vce的急剧变化，并且光耦合器的输出特性曲线很平缓. 此时，如果将光耦合器用作电源反馈网络的一部分，则其传递函数增益非常大. 对于整个系统，很高的增益很容易引起系统不稳定，因此，不宜将光耦合器的静态工作点设置为电流If小于5mA，而是将其设置为5-10mA更合适. 此外，还需要分析光耦合器的Ic-If曲线，如图7所示. 从图7可以看出，当电流If小于10mA时，Ic-If基本上不变，并且在电流之后如果大于10mA，则光耦合器开始饱和，并且Ic-If的值随If的增加而减小. 对于电源系统，如果改变环路的增益，可能会导致不稳定，因此将静态工作点设置在If太大的位置（使输出特性容易饱和）是不合理的. 应该注意的是，Ic-If曲线随温度变化，但是温度变化会以固定的If值影响Ic值，这对Ic-If比率基本上没有影响. 曲线的形状与图7相同，只是随着温度的升高，曲线整体向下移动. 从Ic-Ta曲线可以看出这一特性（如图8所示）.

从图2可以看出. 如图8所示，如果If大于5 mA，则Ic-Ta曲线基本上彼此平行. 基于以上分析，以下是不同典型连接方式的特点和适用范围的比较. 本研究以实际隔离的半桥辅助电源和反激电源为例. 在第一连接方法中，在电压误差放大器的输出端子处接收的电压是通过经由电阻器R4降低外部电压而获得的，并且不受电压误差放大器的电流输出能力的影响. 光耦合器的工作点可以通过其外部电阻器随意调节. 根据先前的分析，电流If的静态工作点值约为10mA，相应的光耦合器工作温度在0至100°C之间变化，并且该值在20至15mA之间. 普通PWM芯片的三角波幅度不超过3V，因此电阻R4的大小选择为670Ω，同时确定TL431 3引脚电压的静态工作点值为12V光耦的工作原理，那么电阻R3的值可以选择为560Ω. 电阻R1和R2的值很容易选择，这里为27k和4.7k. 电阻R5和电容器C1是PI补偿，这里取3k和10nF. 在实验中，半桥辅助电源的输出负载是控制板上的各种控制芯片，再加上多路输出中每条路径的静负载，最终实际功率约为30w. 如图2所示，实际测量的光耦合器4引脚电压波形（将该电压与芯片的三角波进行比较以确定驱动占空比）. 图10示出了相应的驱动信号波形. 图10示出了驱动波形. 由于上下管的驱动被缠绕在驱动磁环上，所以图10所示的电路具有负电压部分. 可以看出，驱动信号的占空比比较大，约为0.7.

对于第二种连接方法，芯片内部电压误差放大器的最大电流输出能力约为3mA. 高于此电流值，误差放大器输出的最大电压将下降. 因此，在该连接方法中，如果电源的稳态占空比相对较大，则电流Ic相对较小，并且其值可以仅略大于3mA，对应于图3. 在图7中，Ib约为2mA. 从图6可以看出，当Ib的值较小时，Ib的小变化将引起Ic的急剧变化，而光耦合器的增益将非常大，这将导致闭环网络成为不稳定. 如果电源的稳态占空比相对较小，则光耦合器的4引脚电压相对较小，并且相应的电压误差放大器的输出电流也较大，即Ic相对较大（远大于3mA），相应的Ib也相对较大，与图6相同. 当Ib值较大时，相应的光耦合器增益相对适中，并且闭环网络相对稳定. 类似地，对于上述半桥辅助电源电路，使用连接2代替连接1，闭环不稳定，并且用示波器观察到4引脚光耦合器的电压波形，并且有明显的振荡. 光耦合器的4引脚输出电压（与UC3525误差放大器的输出引脚电压相对应）的波形如图11所示，并且可以发现明显的振荡. 这是因为该半桥电源的稳态占空比比较大. 根据连接方法2，光耦合器增益大，系统不稳定且振荡.

实际上，第二种连接方法在反激电路中更为常见. 这是因为反激电路通常是出于效率考虑. 该电路通常以不连续模式工作，并且驱动占空比相对较小，与光耦合器相对应. 电流Ic比较大，从以上分析可以看出，闭环环路也比较稳定. 以下是另一种以非连续模式工作的实验性反激电路，它实际测量了其4引脚光耦合器的电压波形光耦的工作原理，如图12所示. 实际测量的驱动信号波形，如图13所示，占空比为大约0.2.

因此，在光耦合器反馈的设计中，除了根据光耦合器的特性参数设置其参数外，还应该知道在不同占空比下反馈模式的选择也受到限制. 反馈方法1和3适用于任何占空比情况，反馈方法2和4更适用于占空比相对较小的情况.

3. 结论

本研究列出了四种典型的光耦合器反馈连接，分析了各种连接和各种限制因素下的光耦合反馈原理，并比较了各种连接之间的区别. 通过实际的半桥和反激电路测试，验证了电路占空比对选择反馈模式的限制. 最后对光耦反馈进行了总结，对今后的光耦反馈设计具有一定的参考价值.

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