光耦的工作原理

红灯记

在一些实验室或高要求场合，为了实验人员的安全，一般将实验的输入电源采用1：1的工频变压器与市电进行隔离，这样一来，实验室实验人员无论碰到线路的哪一根线都不会有触电的危险，因为隔离电源与大地是没有连接的。在工业控制设备中，有时候要求两个系统之间的电源地线隔离，如隔离地线噪声、隔离高共模电压等，采用带变压器的直流变换器，将两个电源之间隔开，使他们相互独立。


在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单、低成本的方式。但对于光耦反馈的各种连接方式及其区别，目前尚未见到比较深入的研究。而且在很多场合下，由于对光耦的工作原理理解不够深入，光耦接法混乱，往往导致电路不能正常工作。本研究将详细分析光耦工作原理，并针对光耦反馈的几种典型接法加以对比研究。


1、常见的几种连接方式及其工作原理


光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强。无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。光电耦合器可用于隔离电路、负载接口及各种家用电器等电路中。
常用于反馈的光耦型号有TLP521、PC817等。这里以TLP521为例，介绍这类光耦的特性。

TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If越大，光强越强，副边三极管的电流Ic越大。副边三极管电流Ic与原边二极管电流If的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。

通常选择TL431结合TLP521进行反馈。这时，TL431的工作原理相当于一个内部基准为2.5 V的电压误差放大器，所以在其1脚与3脚之间，要接补偿网络。
常见的光耦反馈第1种接法，如图1所示。注意左边的地为输出电压地，右边的地为芯片供电电压地，两者之间用光耦隔离。

图1所示接法的工作原理如下：当输出电压升高时，TL431的1脚（相当于电压误差放大器的反向输入端）电压上升，3脚电压下降，光耦TLP521的原边电流If增大，光耦的另一端输出电流Ic增大，电阻R4上的电压降增大，com引脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压降低时，调节过程类似。
2016-02-20                                                 电子工程专辑

常见的第2种接法，如图2所示。与第1种接法不同的是，该接法中光耦的第4脚直接接到芯片的误差放大器输出端，而芯片内部的电压误差放大器必须接成同相端电位高于反相端电位的形式，利用运放的一种特性—— 当运放输出电流过大（超过运放电流输出能力）时，运放的输出电压值将下降，输出电流越大，输出电压下降越多。

图2所示接法的工作原理是：当输出电压升高时，原边电流If增大，输出电流Ic增大，由于Ic已经超过了电压误差放大器的电流输出能力，com脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压下降时，调节过程类似。

常见的第3种接法，如图3所示。与图1基本相似，不同之处在于图3中多了一个电阻R6，该电阻的作用是对TL431额外注入一个电流，避免TL431因注入电流过小而不能正常工作。

常见的第4种接法，如图4所示。该接法与第2种接法类似，区别在于com端与光耦第4脚之间多接了一个电阻R4，其作用与第3种接法中的R6一致，其工作原理基本同接法2。

2、各种接法的比较
在比较之前，需要对实际的光耦TLP521的几个特性曲线作一下分析。首先是Ic-Vce曲线，如图5，图6所示。

由图5、图6可知，当If小于5 mA时，If的微小变化都将引起Ic与Vce的剧烈变化，光耦的输出特性曲线平缓。这时如果将光耦作为电源反馈网络的一部分，其传递函数增益非常大。

此外，还需要分析光耦的Ic-If曲线，如图7所示。


由图7可以看出，在电流If小于10 mA 时，Ic-If基本不变，而在电流If大于10 mA之后，光耦开始趋向饱和，Ic-If的值随着If的增大而减小。对于一个电源系统来说，如果环路的增益是变化的，则将可能导致不稳定，所以将静态工作点设置在If过大处（从而输出特性容易饱和），也是不合理的。

由图8可以看出，在If大于5 mA时，Ic-Ta曲线基本上是互相平行的。
根据上述分析，以下针对不同的典型接法，对比其特性以及适用范围。本研究以实际的隔离半桥辅助电源及反激式电源为例说明。

第1种接法中，接到电压误差放大器输出端的电压是外部电压经电阻R4降压之后得到，不受电压误差放大器电流输出能力影响，光耦的工作点选取可以通过其外接电阻随意调节。

按照前面的分析，令电流If的静态工作点值大约为10 mA，对应的光耦工作温度在0～100℃变化，值在20～15 mA之间。电阻R1与R2的值容易选取，这里取为27 k与4.7 k。

实验中，半桥辅助电源输出负载为控制板上的各类控制芯片，加上多路输出中各路的死负载，最后的实际功率大约为30 w。实际测得的光耦4脚电压（此电压与芯片三角波相比较，从而决定驱动占空比）波形，如图9所示。对应的驱动信号波形，如图10所示。

图10的驱动波形有负电压部分，是由于上、下管的驱动绕在一个驱动磁环上的缘故。可以看出，驱动信号的占空比比较大，大约为0.7。

对于第2种接法，一般芯片内部的电压误差放大器，其最大电流输出能力为3 mA左右，超过这个电流值，误差放大器输出的最高电压将下降。所以，该接法中，如果电源稳态占空比较大，那么电流Ic比较小，其值可能仅略大于3 mA，对应图7，Ib为2 mA左右。由图6可知，Ib值较小时，微小的Ib变化将引起Ic剧烈变化，光耦的增益非常大，这将导致闭环网络不容易稳定。而如果电源稳态占空比比较小，光耦的4脚电压比较小，对应电压误差放大器的输出电流较大，也就是Ic比较大（远大于3 mA），则对应的Ib也比较大，同样对应于图6，当Ib值较大时，对应的光耦增益比较适中，闭环网络比较容易稳定。

因此，在光耦反馈设计中，除了要根据光耦的特性参数来设置其外围参数外，还应该知道，不同占空比下对反馈方式的选取也是有限制的。反馈方式1、3适用于任何占空比情况，而反馈方式2、4比较适合于在占空比比较小的场合使用。

3、结束语
本研究列举了4种典型光耦反馈接法，分析了各种接法下光耦反馈的原理以及各种限制因素，对比了各种接法的不同点。通过实际半桥和反激电路测试，验证了电路工作的占空比对反馈方式选取的限制。