解析開關(guān)電源中光耦作用及光耦傳輸比（CTR）對開關(guān)電源的影響-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-07-15
光耦合器亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管，光敏電阻）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點，抗干擾能力強，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號等優(yōu)點，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。
開關(guān)模式電源，又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個人電腦，而開關(guān)電源就進行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。
光耦在開關(guān)電源中有兩個作用。
1、隔離，把進線220V的強電和電路板電路隔離開來，也就是常說的冷底板。
2、同時把后面工作電路中變化的電壓信號通過光耦的原端發(fā)光二極管轉(zhuǎn)變成光信號照射到次端的光敏二極管從而改變光敏二極管的電阻，在通過這個電阻的變化去控制開關(guān)電源，完成了隔離和反饋控制的作用。
常見的光耦反饋第1種接法，如圖1所示。圖中，Vo為輸出電壓，Vd為芯片的供電電壓。com信號接芯片的誤差放大器輸出腳，或者把PWM芯片(如UC3525)的內(nèi)部電壓誤差放大器接成同相放大器形式，com信號則接到其對應(yīng)的同相端引腳。注意左邊的地為輸出電壓地，右邊的地為芯片供電電壓地，兩者之間用光耦隔離。
圖1所示接法的工作原理如下：當(dāng)輸出電壓升高時，TL431的1腳(相當(dāng)于電壓誤差放大器的反向輸入端)電壓上升，3腳(相當(dāng)于電壓誤差放大器的輸出腳)電壓下降，光耦TLP521的原邊電流If增大，光耦的另一端輸出電流Ic增大，電阻R4上的電壓降增大，com引腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓降低時，調(diào)節(jié)過程類似。
開關(guān)電源中光耦的作用常見的第2種接法，如圖2所示。與第1種接法不同的是，該接法中光耦的第4腳直接接到芯片的誤差放大器輸出端，而芯片內(nèi)部的電壓誤差放大器必須接成同相端電位高于反相端電位的形式，利用運放的一種特性——當(dāng)運放輸出電流過大(超過運放電流輸出能力)時，運放的輸出電壓值將下降，輸出電流越大，輸出電壓下降越多。
因此，采用這種接法的電路，一定要把PWM芯片的誤差放大器的兩個輸入引腳接到固定電位上，且必須是同向端電位高于反向端電位，使誤差放大器初始輸出電壓為高。圖2所示接法的工作原理是：當(dāng)輸出電壓升高時，原邊電流If增大，輸出電流Ic增大，由于Ic已經(jīng)超過了電壓誤差放大器的電流輸出能力，com腳電壓下降，占空比減小，輸出電壓減小；反之，當(dāng)輸出電壓下降時，調(diào)節(jié)過程類似。
常見的第4種接法，如圖4所示。該接法與第2種接法類似，區(qū)別在于com端與光耦第4腳之間多接了一個電阻R4，其作用與第3種接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。
2、各種接法的比較在比較之前，需要對實際的光耦TLP521的幾個特性曲線作一下分析。首先是Ic-Vce曲線，如圖5，圖6所示。
由圖8可以看出，在If大于5mA時，Ic-Ta曲線基本上是互相平行的。
根據(jù)上述分析，以下針對不同的典型接法，對比其特性以及適用范圍。本研究以實際的隔離半橋輔助電源及反激式電源為例說明。第1種接法中，接到電壓誤差放大器輸出端的電壓是外部電壓經(jīng)電阻R4降壓之后得到，不受電壓誤差放大器電流輸出能力影響，光耦的工作點選取可以通過其外接電阻隨意調(diào)節(jié)。按照前面的分析，令電流If的靜態(tài)工作點值大約為10mA，對應(yīng)的光耦工作溫度在0～100℃變化，值在20～15mA之間。
一般PWM芯片的三角波幅值大小不超過3V，由此選定電阻R4的大小為670Ω，并同時確定TL431的3腳電壓的靜態(tài)工作點值為12V，那么可以選定電阻R3的值為560Ω。電阻R1與R2的值容易選取，這里取為27k與4.7k。電阻R5與電容C1為PI補償，這里取為3k與10nF。
實驗中，半橋輔助電源輸出負(fù)載為控制板上的各類控制芯片，加上多路輸出中各路的死負(fù)載，最后的實際功率大約為30w。實際測得的光耦4腳電壓(此電壓與芯片三角波相比較，從而決定驅(qū)動占空比)波形，如圖9所示。對應(yīng)的驅(qū)動信號波形，如圖10所示。圖10的驅(qū)動波形有負(fù)電壓部分，是由于上、下管的驅(qū)動繞在一個驅(qū)動磁環(huán)上的緣故。可以看出，驅(qū)動信號的占空比比較大，大約為0.7。
同樣，對于上面的半橋輔助電源電路，用接法2代替接法1，閉環(huán)不穩(wěn)定，用示波器觀察光耦4腳電壓波形，有明顯的振蕩。光耦的4腳輸出電壓(對應(yīng)于UC3525的誤差放大器輸出腳電壓)，波形如圖11所示，可發(fā)現(xiàn)明顯的振蕩。這是由于這個半橋電源穩(wěn)態(tài)占空比比較大，按接法2則光耦增益大，系統(tǒng)不穩(wěn)定而出現(xiàn)振蕩。
實際上，第2種接法在反激電路中比較常見，這是由于反激電路一般都出于效率考慮，電路通常工作于斷續(xù)模式，驅(qū)動占空比比較小，對應(yīng)光耦電流Ic比較大，參考以上分析可知，閉環(huán)環(huán)路也比較容易穩(wěn)定。
以下是另外一個實驗反激電路，工作在斷續(xù)模式，實際測得其光耦4腳電壓波形，如圖12所示。實際測得的驅(qū)動信號波形，如圖13所示，占空比約為0.2。
因此，在光耦反饋設(shè)計中，除了要根據(jù)光耦的特性參數(shù)來設(shè)置其外圍參數(shù)外，還應(yīng)該知道，不同占空比下對反饋方式的選取也是有限制的。反饋方式1、3適用于任何占空比情況，而反饋方式2、4比較適合于在占空比比較小的場合使用。
3、結(jié)束語本研究列舉了4種典型光耦反饋接法，分析了各種接法下光耦反饋的原理以及各種限制因素，對比了各種接法的不同點。通過實際半橋和反激電路測試，驗證了電路工作的占空比對反饋方式選取的限制。最后對光耦反饋進行總結(jié)，對今后的光耦反饋設(shè)計具有一定的參考價值。
開關(guān)電源的光耦主要是隔離、提供反饋信號和開關(guān)作用。開關(guān)電源電路中光耦的電源是從高頻變壓器次級電壓提供的，當(dāng)輸出電壓低于穩(wěn)壓管電壓是給信號光耦接通，加大占空比，使得輸出電壓升高；反之則關(guān)斷光耦減小占空比，使得輸出電壓降低。旦高頻變壓器次級負(fù)載超載或開關(guān)電路有故障，就沒有光耦電源提供，光耦就控制著開關(guān)電路不能起振，從而保護開關(guān)管不至被擊穿燒毀。
通常光耦與TL431一起使用。下面是LED電源驅(qū)動芯片(開關(guān)電源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG03655的部分電路。兩電阻串聯(lián)取樣到431R端與內(nèi)部比較器進行比較。然后根據(jù)比出的信號再控制431K端(陽極接光耦那一端)對地的電阻，然后達到控制光耦內(nèi)部發(fā)光二極管的亮度。
(光耦內(nèi)部一邊是一發(fā)光二極管，一邊是一光敏三極管)通過發(fā)光的強度。控制另一端三極管的CE端的電阻也就是改變了led電源驅(qū)動芯片(開關(guān)電源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365檢測腳的電流（1腳：電壓反饋引腳，通過連接光耦到地來調(diào)整占控比）。
根據(jù)電流的大小，led電源驅(qū)動芯片(開關(guān)電源芯片)TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365就會自動調(diào)整輸出信號的占空比，達到穩(wěn)壓的目的。
TMG0321/TMG0165/TMG0265/TMG0365芯片是一款高集成度、高性能的PWM＋MOSFET管二合一的電流型離線式開關(guān)電源控制器。適用于充電器、電源適配器、LED驅(qū)動電源等各類小功率的開關(guān)電源。采用DIP8封裝，無需加散熱器可輸出0～36W的功率（加散熱可以做到更大）。電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。具有完善的保護功能，包括過壓、欠壓、過溫、過載及短路等保護。固定振蕩頻率及抖頻功能，可以降低EMI。待機功率低，在待機時進入跳周期模式，符合“能源之星”等待機功耗標(biāo)準(zhǔn)要求。
CTR：發(fā)光管的電流和光敏三極管的電流比的最小值。
副邊的輸出電流（IC）
原邊輸入電流（IF）
隔離電壓：發(fā)光管和光敏三極管的隔離電壓的最小值。
光耦的技術(shù)參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。
集電極-發(fā)射極電壓：集電極-發(fā)射極之間的耐壓值的最小值光耦什么時候?qū)?什么時候截至?普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。
電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～300%(如4N35)，而pc817系列則為50%～600%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。
使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離，在設(shè)計電路時，必須遵循下列所選用的光電耦合器件必須符合國內(nèi)和國際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關(guān)特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平)，可以用于單片機的輸出隔離;所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。
在開關(guān)電源的隔離中，以及設(shè)計光耦反饋式開關(guān)電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數(shù)，除了必須遵循普通光耦的選取原則外，還必須遵循下列原則：
1、推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。
2、光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因為當(dāng)CTR<50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF>5.0mA)，才能正常控制單片開關(guān)電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR>200%，在啟動電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時，有可能將
單片開關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。
3、若用放大器電路去驅(qū)動光電耦合器，必須精心設(shè)計，保證它能夠補償耦合器的溫度不穩(wěn)定性和漂移。
以下是常見光電耦合器PC817系列的一些參數(shù)（僅供參考）：
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