开关电源光耦合器的工作原理和典型连接方法

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. 此外，在许多情况下，由于对光耦合器的工作原理的了解不足，因此光耦合方法容易造成混乱，从而经常导致电路无法正常工作. 本文将详细分析光耦合器的工作原理，并比较研究几种典型的光耦合器反馈连接方法.

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. 次级侧晶体管电流Ic与初级侧二极管电流If的比率称为光耦合器的电流放大系数，该系数随温度而变化，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，在环境温度剧烈变化的情况下，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. 另参数的设计，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，不利于电路的稳定工作. 电路.

通常选择TL431和TLP521组合以获得反馈. 此时，TL431的工作原理相当于内部基准电压为2.5V的电压误差放大器，因此在其引脚1和引脚3之间必须连接一个补偿网络.

TL431是光耦合器在三端可编程并联稳压器开关电源中的作用

常见的光耦合器反馈的第一种连接方法如图1所示. 在图中光耦的工作原理，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输出引脚，或者PWM芯片的内部电压误差放大器（例如UC3525）连接为同相放大器，com信号连接到其相应的同相放大器. 反相端子引脚. 请注意，左侧的接地是输出电压接地，右侧的接地是芯片的电源电压接地.

当输出电压增加时，TL431的引脚1的电压（相当于电压误差放大器的反相输入端子）上升，引脚3的电压（相当于电压误差放大器的输出引脚） ）下降，并且光耦合器TLP521的初级侧电流增加时，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，占空比降低，输出电压降低；否则，当输出电压降低时，调整过程类似. 光耦合器在开关电源中的作用

公用的第二个连接不同于第一个连接. 在此连接中，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，并且必须连接芯片内部的电压误差放大器. 以同相端子的电位高于反相端子的电位的形式，使用了运算放大器的功能-当运算放大器的输出电流过大时（超过运算放大器的输出容量）放大器），则运算放大器的输出电压值将下降. 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.

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引脚电压下降，随着占空比的降低，输出电压降低. 相反，当输出电压下降时，调整过程与此类似.

第三种常见的连接方法. 基本上类似于图1，不同之处在于，图3中有一个附加电阻R6，该电阻的作用是向TL431注入额外的电流，以避免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.

第四种常见的连接方法. 此连接类似于第二个连接. 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. 光耦合器在开关电源中的作用.

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将变得平缓. 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是更合适的

此外，还需要分析光耦合器的Ic-If曲线，如图7所示.

当电流If小于10mA时，Ic-If基本不变，并且在电流If大于10mA之后，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曲线随温度而变化，但是温度变化会以固定的If值影响Ic值，这基本上对Ic-If比率没有影响. 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）.

如果If大于5mA，则Ic-Ta曲线基本上彼此平行.

基于上述分析，以下是典型连接方法及其特性和应用范围的比较. 本研究以实际隔离的半桥辅助电源和反激式电源为例.

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使经由电阻器R4的外部电压降压而获得的，并且不受电压误差放大器的电流输出能力的影响. 可以通过其外部电阻器自由选择光耦合器的工作点.

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0〜100℃之间变化，并且该值在20〜15mA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，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为PI补偿，此处取值为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个通道的静负载，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，从而确定驱动占空比）. 9.相应的驱动信号波形如图10所示.

驱动波形具有负电压部分，因为上管和下管的驱动缠绕在驱动磁环上. 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光耦的工作原理，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. 7，Ib约为2mA. 从图6可以看出，当Ib的值较小时，Ib的较小变化将引起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难以稳定. 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相对较大较大（远大于3mA）时，对应的Ib也相对较大，相同于图6，当Ib值较大时，对应的光耦合器增益相对适中，并且闭环网络相对较容易稳定.

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. 用示波器观察4针光耦合器的电压波形，有明显的振荡现象. 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.

以下是另一个实验性反激电路，该电路以不连续模式工作，并实际测量了其4引脚光电耦合器的电压波形，如图12所示. 实际测量的驱动信号波形如图13所示，具有一个占空比约为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，而反馈方法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. 最后总结了光耦合器的反馈，对将来的光耦合器反馈设计具有一定的参考价值.

开关电源的光耦合器主要用于隔离，提供反馈信号和开关功能. 开关电源电路中的光耦合器的电源由高频变压器的次级电压提供. 当输出电压低于稳压管的电压时，信号光耦合器导通，占空比增加以增加输出电压. 否则，关闭光耦合器会降低占空比，从而降低输出电压. 一旦高频变压器的次级负载过载或开关电路出现故障，就没有光耦合器电源，并且光耦合器控制开关电路不启动振动，从而保护开关管免于击穿和烧毁.

通常光耦合器与TL431一起使用. 以下是LED电源驱动器芯片（开关电源芯片）TMG0321 / TMG0165 / TMG0265 / TMG03655的部分电路. 这两个电阻被串联采样至431R，并与内部比较器进行比较. 然后根据比较后的信号控制431K端子（连接到光耦合器的一端）对地的电阻，然后控制光耦合器内部的发光二极管的亮度. （光耦合器的一侧是发光二极管，一侧是光电晶体管）通过光的强度. 控制晶体管CE另一端的CE电阻是要更改LED电源驱动器芯片（开关电源芯片）TMG0321 / TMG0165 / TMG0265 / TMG0365的检测引脚的电流（1引脚: 电压反馈引脚，调节通过将光耦合器连接到地面来控制帐户）. 根据电流大小，LED电源驱动器芯片（开关电源芯片）TMG0321 / TMG0165 / TMG0265 / TMG0365将自动调节输出信号的占空比，以达到稳压的目的.

TMG0321 / TMG0165 / TMG0265 / TMG0365芯片是一款高度集成的高性能PWM + MOSFET二合一电流型离线开关电源控制器. 它适用于各种低功率开关电源，例如充电器，电源适配器，LED驱动器电源. 采用DIP8封装，无需加散热器即可输出0〜36W功率（加热量可使其变大）. 电路结构简单，成本低. 它具有完善的保护功能，包括过压，欠压，过热，过载和短路保护. 固定的振荡频率和频率抖动功能可以降低EMI. 待机功率低，待机时进入跳过模式，符合“能源之星”待机机功耗标准的要求.

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