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设计直流开关电源中光耦和TL431的问题该如何解决?

我们在设计直流开关电源的时候,一般常用的隔离型的反馈也就是光耦+TL431,关于其调节这也是一个热点和难点,在这个帖子中尽管没有**的解答,但仍然是有学习的地方,因为在这方面我也遇到了好多问题,在此与大家分享一下

提问:

1.在计算各个电阻的时候, 计算R5和数字电阻的阻值时, 是要让数字电阻分压为2.5V么(TL431极限电压)? 然后根据输出电压分压计算??

2.我的输出电压变化范围很大, 是从58V到320V之间的变化。  所以。。。   给TL431供电的反馈端是不是要用稳压呀?  主要我是觉得, 当电压变化时,TL431上是2.5V, 那么加在R3上的电压一变化,电流就变化了呀,这样反馈过去的电压就变了呀。。。。

3。计算光耦三极管端参数(R1,R2)时, 按照论坛上大大们说的: 取光耦二极管端电流为1。5mA?  然后计算出原端电流,按照这一电流计算R1和R2,对吗?

直流开关电源的稳压反馈通常都使用TL431和PC817,如输出电压要求不高,也可以使用稳压二极管和PC817,生产的TL431一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值(如图2)。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中可以用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路、可调压直流开关电源,直流开关电源等等。

其结构图如下:

设计直流开关电源中光耦和TL431的问题该如何解决?

由图可以看到,VI是一个内部的2.5V基准源,接在运放的反相输入端。由运放的特性可知,只有当REF端(同相端)的电压非常接近VI(2.5V)时,三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过,而且随着REF端电压的微小变化,通过三极管 的电流将从1到100mA变化。当然,该图绝不是TL431的实际内部结构,所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时,这个模块图对开启思路,理解电路都是很有帮助的。

设计直流开关电源中光耦和TL431的问题该如何解决?

前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。当R1和R2的阻值确定时,两者对Vo的分压引入反馈,若Vo增大,反馈量增大,TL431的分流也就增加,从而又导致Vo下降。显见,这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定,此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。需要注意的是,在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件,就是通过阴极的电流要大于1 mA 。

设计直流开关电源中光耦和TL431的问题该如何解决?

R13的取值,R13的值不是任意取的,要考虑两个因素:1)431参考输入端的电流,一般此电流为2uA左右,为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响,一般取流过电阻R13的电流为参考段电流的100倍以上,所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K. 2)待机功耗的要求,如有此要求,在满足12.5K的情况下尽量取大值。

TL431的死区电流为1mA,也就是R6的电流接近于零时,也要保证431有1mA,所以R17<=1。2V/1mA=1。2K即可。除此以外也是功耗方面的考虑,R17是为了保证死区电流的大小,R17可要也可不要,当输出电压小于7。5v时应该考虑必须使用,原因是这里的R17既然是提供TL431死区电流的,那么在发光二极管导通电压不足时才有用,如果发光二极管能够导通,就可以提供TL431足够的死区电流,如果Vo很低的时候,计算方法就改为R17=(Vo-Vk)/1mA(这里Vk=Vr-0。7=1。8v);当Vo=3。3V时R17 从死区电流的角度看临界最大值R17=(3。3-1。8)/1mA=1。5k,从YL431限流保护的角度看临界最小值为R17=(3。3-1。8)/100mA=15Ω。 当Vo较高的时候,也就是Vo大于Vk+Vd的时候,也就是差不多7。5v以上时,TL431所需的死区电流可以通过发光二极管的导通提供,所以这是可以不用R17。 

   R6的取值要保证高压控制端取得所需要的电流,假设用PC817(U1-B),其CTR=0.8-1.6,取低限0.8,要求流过光二极管的最大电流=6/0.8=7.5mA,所以R6的值<=(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K,光二极管能承受的最大电流在50mA左右,TL431为100mA,所以我们取流过R6的最大电流为50mA,R6>(15-2.5-1.3)/50=226欧姆。要同时满足这两个条件:226<R6。

有的电路设计中增加提升低频增益电路,用一个电阻和一个电容串接于控制端和输出端,来压制低频(100Hz)纹波和提高输出调整率,即静态误差,牡电就是提升相位,要放在带宽频率的前面来增加相位裕度,具体位置要看其余功率部分在设计带宽处的相位是多少,电阻和电容的频率越低,其提升的相位越高,当然最大只有90度,但其频率很低时低频增益也会减低,一般放在带宽的1/5初,约提升相位78度。

     流过U1-A的电流Ic的电流应在2-6mA之间,开关脉宽调制会线性变化,因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化。

设计直流开关电源中光耦和TL431的问题该如何解决?

而Ice是受二极管电流If控制的,我们通过PC817的Vce与If的关系曲线,可以正确确定PC817。当PC817二极管正向电流If在3mA左右时,三极管的集射电流Ice在4mA左右变化,而且集射电压Vce在很宽 

的范围内线性变化。符合控制要求。因此可以确定选PC817二极管正向电流If为3mA。再看TL431的要求。从TL431的技术参数知,Vka在2。5V-37V变化时,Ika可以在从1mA到100mA以内很大范围里变化,一般选20mA即可,既可以稳定工作,又能提供一部分死负载。因此只选3-5mA左右就可以了。

确定了上面几个关系后,那几个电阻的值就好确定了。根据TL431的性能,R11、R13、Vo、Vr有固定的关系:Vo=(1+ R11/R13) Vr 式中,Vo为输出电压,Vr为参考电压,Vr=2。50V,先取R13值,例如R13=10k,根据Vo的值就可以算出R11了。 

再来确定R6和R17。由前所述,PC817的If取3mA,先取R6的值为470Ω,则其上的压降为Vr6=If* R6,由PC817技术手册知,其二极管的正向压降Vf典型值为1。2V,则可以确定R17上的压降Vr17=Vr6+Vf,又知流过R17的电流Ir17=Ika-If,因此R17的值可以计算出来:     R17= Vr17/ Ir17= (Vr6+Vf)/( Ika-If)

根据以上计算可以知道TL431的阴极电压值Vka,Vka=Vo’-Vr17,式中Vo’取值比Vo大0.1-0.2V即可。

举一个例子,Vo=15V,取R13=10k,R11=(Vo/Vr-1)R13=(12/2.5-1)*10=50K;取R6=470Ω,If=3mA,Vr6=If* R6=0.003*470=1.41V;Vr17=Vr6+Vf=1.41+1.2=2.61V; 

取Ika =20mA,Ir17=Ika-If =20-3=17,R17= Vr17/ Ir17=2.61/17=153Ω; 

TL431的阴极电压值Vka,Vka=Vo’-Vr17=15.2-2.61=12.59V 

结果:R6=470Ω、R17=150Ω、R13=10KΩ、R11=50K。

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