采用TL431及光耦合器反馈情况下的增益考虑

1、采用TL431及光耦合器反馈情况下的增益考虑设计反馈回路要求进行认真的考虑及分析。我们总是容易忽视那些不需要的“隐性”反馈路径,这对电路设计可能会造成损害。本文将讨论一种最常见的反馈电路、设计人员可能面临的问题,并将重点讨论问题的解决方案。TL431光耦合器反馈电路TL431加光耦合器配置是许多电源转换器设计人员所喜欢的组合。但是,如果设计不仔细,考虑不周到,就会出现设计问题。本文将讨论许多经验欠缺的设计人员都很容易误入的陷阱,甚至某些经验丰富的设计人员都难以幸免。图1给出了一个典型的电路。R1和R2设置分压器,这样在所需的输出电压上,R1与R2的结电压等于TL431的内部参考电压。电阻R3以

2、及电容C1和C2在TL431周围提供了所需的反馈回路补偿,可稳定控制回路。确定其他部分的回路增益后,我们将计算并添加上述组件。图1中TL431周围的电路增益根据以下公式计算：这里的Zfb为而w指每秒弧度。要想知道光耦合器回路的增益,就需要了解光耦合器的电流传输率(CTR)。光耦合器的增益计算如下：(R6/R4)×CTR,即：不过在图1中,TL431电路的总增益还包括另外的因素,因为实际传输函数取决于通过光耦合器LED的电流。函数为：(Vout-Vcathode)/R4,这里的Vout等于进入TL431的Vsense电压。我们可以得到TL431和光耦合器的“总增益方程式”如下：在本文中

3、,+1这一项是“隐性的”反馈路径,只要Zfb/R1这一项远远大于1,就可以对其忽略不计。设计人员将电源转换器各增益因素相乘,就得到电源转换器的开路增益,它是频率的函数,不受反馈电路的影响。除TL431的增益之外,增益因素包括：变压器匝比、PWM工作输出滤波器组件效应及相应的负载效应,还包括光耦合器效应。图1  典型的TL431反馈电路转换器以专用开关频率工作。设计人员知道,总开环增益在低于频率六分之一的一点上肯定会穿越0dB。大多数设计人员都会为组件和其他设计方案预设容限,大约在十分之一值时就会穿越0dB。在本例中,我们假定这种情况成立,那么开关频率就固定为100kHz。由于我们已知

4、所需交越频率上的控制至输出增益,因此我们只需让TL431周围的反馈回路及光耦合器的增益等于交越频率上相应的值即可。设计人员现在可就反馈选择TL431周围的组件,因为所需频率已知,回路可以穿越0dB,且相位裕度大于45度。如果TL431电路要求的增益大于20dB,那么我们可就R3、C1及C2选择正确的电阻和电容,并确定TL431的增益。因此,设计人员可忽略+1这一项,因为它与TL431的增益相比很小。图2给出了转换器的控制至输出图,10kHz下所需过零处的增益为0.1或-20dB。在所需过零处,该图要求反馈回路增益为+20dB或10。现在,设计人员就能确定所需的回路响应,并相应地选择R1、R2、

5、R3、R4、R6、C1和C2的值。为了简化本例中的设计工作,我们使R4与R6相等,并选择CTR为100的光耦合器（也就是说,相对于通过LED的每毫安电流,都有一毫安电流流出晶体管）。所需增益系数在10kHz上应约为10,因此R3应等于10 R1。TL431的增益在0dB点后应“转降”,但设计人员还希望获得一些相位裕度。因此,我们在20kHz上设置电容C2与R3相等。设计人员希望低频上的增益较高,但交越处的相位应大于45度,因此我们在1kHz上设置C1等于R3。图3显示了控制至输出的初始开环增益（实线）、补偿增益（点线）及总的系统增益（虚线）。在本例中,设计工作正常。总的回路在10kHz时穿越0

6、dB,斜度为每10位下降20dB,这实现了所需的相位裕度。我们很难保证上述理想条件总能在实际情况下实现。我们不妨举例来说明,这时的控制至输出增益为+20dB,即便我们遵循与上例中相同的规则,也忽略增益方程式中的+1项,结果仍然明显不同。差异在于,TL431与光耦合器的增益根据配置决不会低于光耦合器自身的增益,这正是因为+1项的原因使然。TL431感应的信号也存在于给光耦合器提供电流的电压源上,因此形成了“隐性”回路。当TL431增益降至0dB以下时,就成为非常稳定的电压。但是,电压源（图1中的+Vout）上的任何信号都会通过光耦合器造成电流信号。图2  转换器的控制至输出增益图3&#

7、160; 控制至输出、TL431与总系统回路增益显示为频率的函数图4  增益组件控制至输出、反馈网络及总开路增益我们让R3等于R1的十分之一,这就意味着,如果设计人员在如图1所示的电路+Vout点上遇到10kHz100mV的正弦波信号,那么在TL431阴极上就会变为10mV信号,刚好与+Vout信号偏出180度相位。该设计使R4电阻上产生110mV信号（100mV来自电阻的+Vout侧,10mV来自TL431阴极）。电路需要10mV信号才能在10kHz上实现0dB增益,结果在所需的10kHz交越处总的回路增益仍为+20dB。随着频率不断增加,误差放大器的输出信号更弱。但是,信号源的信

8、号不变,通过电阻R4的电流继续由+Vout上的电压主导。这意味着,当误差放大器增益通过0dB时,反馈回路（包括TL431和光耦合器电路）的增益会变平,固定在1或0dB上,如图4所示（虚线）。这一问题的解决方案是,在R4和Vout之间放置滤波器,这样R4的电压源仍是稳定的电压。图5显示了这种情况下采用滤波器与串联稳压器的典型应用。图5  进行额外滤波的反馈回路图6  在R4与Vout之间添加滤波器的效果图7  测试电路添加滤波网络后,我们就得到了如图6所示的增益曲线,并实现了TL431所需的增益曲线。我们建立了显示添加滤波器效果的演示电路,并进行了测试。图7显示了用

9、于测试的电路。我们在R9上插入信号,测量两点的电压,从而得到电路的回路增益。R9与R7的连接处是第一测试点。根据所测量的增益不同,TLV431增益或光耦合器输出,第二点可在测量CNY17增益时连接于TLV431的阴极,或连接于CNY17光电晶体管的发射极。图8显示了TLV431的增益和相位。图9显示了CNY17发射极的增益和相位。如图8和图9所示,各DC增益略微不同,这是因为CNY17的CTR不是一对一的。此外,还存在180度的相位差,这对应于TLV431阴极到光电晶体管发射极极性的颠倒。图10和图11显示了计算得出的增益和相位。实线代表计算得出的TLV431阴极增益,虚线代表计算得出的光电晶

10、体管发射极增益。CTR经过修改,反映了计算测量得出的CTR。增益为实际值,不是dB。我们可以看出,光耦合器发射极信号相对于TLV431阴极管电压正好存在180度的相位差。我们还可以看到,TLV431信号的强度略大于光耦合器光电晶体管发射极,这是由于CTR略小于1。最后,我们还能看出,TLV431与光耦合器在50Hz时的波形振幅小于10Hz时的情况。增益随着频率的升高而下降。但是,根据回路响应,光耦合器的增益或强度在TLV431增益继续下降时最终会趋于稳定。根据图10所示,这种情况会在500Hz时出现。TLV431的输出随着频率的不断增加持续下降。在5kHz时,我们几乎看不到纹波。不过,输入信号与光耦合器输出的大小基本相同。图8  TLV431的增益 图9  CNY17的增益图10  测试电路的增益图11  测