光耦在開關(guān)電源中經(jīng)典應(yīng)用電路分析

開關(guān)電源在工作過程中會產(chǎn)生各種電氣噪聲，如開關(guān)干擾、電磁干擾等。這些噪聲會對控制信號和被控信號產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定甚至出錯。光耦作為一種隔離器件，可以有效地隔離這些電氣噪聲，確?？刂菩盘柕臏?zhǔn)確傳輸。光耦中的發(fā)光二極管發(fā)出的光信號能夠在隔離層中傳播，而不受電氣噪聲的干擾。因此，光耦在開關(guān)電源中的應(yīng)用可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證信號的準(zhǔn)確性和可靠性。

在開關(guān)電源中，通常會存在高功率部分和低功率部分。高功率部分可能會對低功率部分產(chǎn)生干擾，甚至對其造成損壞。通過使用光耦來隔離高低功率部分，可以有效地避免這種干擾。光耦可以將高功率部分的控制信號轉(zhuǎn)換為光信號，再通過光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而實現(xiàn)高低功率部分之間的隔離。這樣一來，高功率部分就無法直接影響低功率部分，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在一些特殊的應(yīng)用場景中，開關(guān)電源需要連接到外部的高電壓或高電流設(shè)備上。如果控制信號直接與高電壓或高電流設(shè)備相連，將會導(dǎo)致潛在的安全隱患。而通過使用光耦將控制信號與高電壓或高電流設(shè)備進行隔離，可以提高系統(tǒng)的安全性。光耦將高電壓或高電流設(shè)備產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)換為光信號，再通過光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而實現(xiàn)信號的隔離。這樣一來，即使出現(xiàn)高電壓或高電流的問題，也不會對控制信號產(chǎn)生影響，從而保障系統(tǒng)的安全運行。

光耦(opticalcoupler)亦稱光電隔離器、光耦合器或光電耦合器。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)封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號時發(fā)光二極管發(fā)出光線，光敏三極管接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。典型應(yīng)用電路如下圖1-1所示。

開關(guān)電源中的光耦經(jīng)典電路設(shè)計分析

耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。

光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。

由于光耦種類繁多，結(jié)構(gòu)獨特，優(yōu)點突出，因而其應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用以下場合：

(1)在邏輯電路上的應(yīng)用

光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路，由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好，因此，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。

(2)作為固體開關(guān)應(yīng)用

在開關(guān)電路中，往往要求控制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離，對于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的，但用光電耦合器卻很容易實現(xiàn)。

(3)在觸發(fā)電路上的應(yīng)用

將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路，由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路，可有效地解決輸出與負(fù)載隔離地問題。

(4)在脈沖放大電路中的應(yīng)用

光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路，可以將脈沖信號進行放大。

(5)在線性電路上的應(yīng)用

線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中，具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能。

(6)特殊場合的應(yīng)用

光電耦合器還可應(yīng)用于高壓控制，取代變壓器，代替觸點繼電器以及用于A/D電路等多種場合。

常用于反饋的光耦型號有TLP521、PC817等。這里以TLP521為例，介紹這類光耦的特性。圖2-1所示為光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖以及引腳圖。

TLP521的原邊相當(dāng)于一個發(fā)光二極管，原邊電流If越大，光強越強，副邊三極管的電流Ic越大。副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù)，該系數(shù)隨溫度變化而變化，且受溫度影響較大。作反饋用的光耦正是利用“原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化”來實現(xiàn)反饋，因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合，由于放大系數(shù)的溫漂比較大，應(yīng)盡量不通過光耦實現(xiàn)反饋。此外，使用這類光耦必須注意設(shè)計外圍參數(shù)，使其工作在比較寬的線性帶內(nèi)，否則電路對運行參數(shù)的敏感度太強，不利于電路的穩(wěn)定工作。

通常選擇TL431結(jié)合TLP521進行反饋。這時，TL431的工作原理相當(dāng)于一個內(nèi)部基準(zhǔn)為2.5 V的電壓誤差放大器(輸出的電壓進行誤差放大比較，然后將取樣電壓經(jīng)過光電偶合器反饋控制脈寬占空比，達到穩(wěn)定電壓的目的)，所以在其1腳與3腳之間，要接補償網(wǎng)絡(luò)。

開關(guān)電源中的光耦經(jīng)典電路設(shè)計分析

TL431是由德州儀器生產(chǎn)的可控精密穩(wěn)壓源，實物如圖2-3所示。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設(shè)置到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任何值。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中用它代替穩(wěn)壓二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路，可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等。圖2-2所示為TL431引腳排列與使用連線圖。

開關(guān)電源中的光耦經(jīng)典電路設(shè)計分析

常見的光耦反饋第1種接法。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。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2-3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。

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(脈沖寬度調(diào)制)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。

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3種接法，與第一種基本相似，不同之處在于多了一個電阻R6，該電阻的作用是對TL431額外注入一個電流，避免TL431因注入電流過小而不能正常工作。實際上如適當(dāng)選取電阻值R3，電阻R6可以省略。調(diào)節(jié)過程基本上同1接法一致。

常見的第4種接法，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。