線性光電耦合器在開關(guān)電源中的應(yīng)用

光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）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）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。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開關(guān)）信號，不適合傳輸模擬信號。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。 ?
1 光耦合器的類型及性能特點(diǎn)

1.1 光耦合器的類型

?光耦合器有雙列直插式、管式、光導(dǎo)纖維式等多種封裝形式，其種類達(dá)數(shù)十種。光耦合器的分類及內(nèi)部電路如圖1所示。圖中是8種典型產(chǎn)品的型號：(a)通用型(無基極引線)；(b)通用型(有基極引線)；(c)達(dá)林頓型；(d)高速型；(e)光集成電路；(f)光纖型；(g)光敏晶閘管型；(h)光敏場效應(yīng)管型。



1.2 光耦合器的性能特點(diǎn)

光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號隔離、級間隔離 、開關(guān)電路、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(jī)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(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

光耦合器的技術(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)。?

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。其公式為：


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則為80%～160%，達(dá)林頓型光耦合器（如4N30）可達(dá)100%～5000%。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。線性光耦合器與普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲線，分別如圖2中的虛線和實線所示。


由圖2可見，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。

2 線性光耦合器的產(chǎn)品分類及選取原則

2.1 線性光耦合器的產(chǎn)品分類

? 線性光耦合器的典型產(chǎn)品及主要參數(shù)見表1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管。



2.2 線性光耦合器的選取原則

? 在設(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)，選取原則如下：

? ①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?？刂茊纹_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。

? ②推薦采用線性光耦合器，其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

? ③由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，目前在國內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。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)，因此不推薦用在開關(guān)電源中。
3 線性光耦合器應(yīng)用舉例

多路輸出式電源變換器電路如圖3所示。其輸入電壓為36V到90V的準(zhǔn)方波電壓，三路輸出分別為：UO1＝＋5V(2A)，UO2＝＋15V(0.17A)，UO3＝－15V(0.17A)?，F(xiàn)將UO1定為主輸出，其電壓調(diào)整率SV＝±0.4%；UO2和UO3為輔輸出，總電源效率可達(dá)75%～80%。電路中采用一片TOP104Y型三端單片開關(guān)電源集成電路。主輸出繞組電壓經(jīng)過VD2、C2、L1和C3整流濾波后，得到＋5V電壓。VD2采用MBR735型35V／7.5A肖特基二極管。兩個輔輸出繞組及輸出電路完全呈對稱結(jié)構(gòu)。因為±15V輸出電流較小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V／1A的超快恢復(fù)二極管。由線性光耦CNY17-2和可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C構(gòu)成光耦反饋式精密開關(guān)電源，可以對＋5V電壓進(jìn)行精密調(diào)整。反饋繞組電壓通過VD3、C4整流濾波后，得到12V反饋電壓。由P6KE120型瞬態(tài)電壓抑制器和UF4002型超快恢復(fù)二極管構(gòu)成的漏極鉗位保護(hù)電路，能吸收由高頻變壓器漏感形成的尖峰電壓，保護(hù)芯片內(nèi)部的功率場效應(yīng)管MOSFET不受損壞。


外部誤差放大器由TL431C組成。當(dāng)+5V輸出電壓升高時，經(jīng)R3、R4分壓后得到的取樣電壓，就與TL431C中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，使其陰極電位降低，LED的工作電流IF增大，再通過線性光耦I(lǐng)C2（CNY17-2）使控制端電流IC增大，TOP104Y的輸出占空比減小，使UO1維持不變，達(dá)到穩(wěn)壓目的。+5V穩(wěn)壓值UO1則由TL431C、光耦中的LED正向壓降來設(shè)定。R1是LED的限流電阻。誤差放大器的頻率響應(yīng)由C5、R2和C6來決定。C5的作用有三個：濾除控制端上的尖峰電壓；決定自動重啟動頻率；與R2一起對控制回路進(jìn)行補(bǔ)償。




參考文獻(xiàn)

1 沙占友等．單片開關(guān)電源技術(shù)講座之一～五.電源技術(shù)應(yīng)用，2000.8～12
2 沙占友．單片開關(guān)電源的最新進(jìn)展.中國電源，2000.12