几种常用地光耦反馈电路指导应用

1、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

2、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。作反馈用的光耦正是利用 “原边电流变化将导 致副边电流变化 ”来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较 大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外， 使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在 比较宽的线性带，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。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。图中， Vo

3、 为输出电压， Vd 为芯片的供电电 压。com信号接芯片的误差放大器输出脚，或者把 PWM芯片（如UC3525）的部电压误差 放大器接成同相放大器形式， com 信号则接到其对应的同相端引脚。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（相当于电压误差放大器的输出脚 ）电压下降，光耦 TLP 521 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

4、；反之，当输出电压降低时，调节过程类似。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。 因此，采用这种接法的电路， 一定要把 PWM 芯片的误差放大器的两个输入引脚接到固定电位上，且必须是同向端电位 高于反向端电位，使误差放大器初始输出电压为高。s1光耦反債第种接法團上光的第2种接法图2所示接法的工作原理是：当输出电

5、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。实际上如适当选取电阻值R3，电阻R6可以省略。调节过程基本上同图1接法一致。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。c

6、om2各种接法的比较Ic-Vce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。首先是曲线，如图5，图6所示。h制mA图 5 TLR521 ftij< - Vtf,曲统图& TLP521 的 Zr-Vff 曲媒由图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。对于整个系统来说，一个非常高的增益容易引起系统不稳定，所以将光耦的静态工作点设置在电流If小于5 mA是不恰当的，设置为 510 mA较恰当。此外，还需要分析光耦的Ic-If曲线，如图7

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。需要说明的是，Ic-If曲线是随温度变化的，但是温度 变化所影响的是在某一固定If值下的Ic值，对Ic-If比值基本无影响，曲线形状仍然同图7,只是温度升高，曲线整体下移，这个特性从Ic-Ta曲线（如图8 所示）中可以看出。-7-23tp'*严抄 020W 60 rwfpga-rm. com

8、8 TEP52r/f-7；帖 t 3 io n i«g WWW.'图7 TLP52t的4打曲域 8BR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 C变化，值在2015 mA之间。一般 PWM芯

9、片的三角波幅值大小不超过 3 V,由 此选定电阻R4的大小为670Q，并同时确定TL431的3脚电压的静态工作点值为 12 V , 那么可以选定电阻 R3的值为560Q。电阻R1与R2的值容易选取，这里取为 27 k与4. 7 k。电阻R5与电容C1为PI补偿，这里取为 3 k与10 nF。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

10、故。呻+f严7f P君怀.goNmvW-帀 p若（Je旳YTrhtorh9 先價血脚电压波形 圏M 舉桥下管的驱动渡竝图孕迩盘4脚电压波形桥?管的驼动波够对于第2种接法，一般芯片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, lb为2 mA左右。由图6可知，lb值较小时，微小的lb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

11、Ic比较大（远大于3 mA），则对应的lb也比较大， 同样对应于图6，当lb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。同样，对于上面的半桥辅助电源电路，用接法2代替接法1，闭环不稳定，用示波器观察光耦4脚电压波形，有明显的振荡。光耦的 4脚输出电压（对应于UC3525的误差放大 器输出脚电压），波形如图11所示，可发现明显的振荡。这是由于这个半桥电源稳态占空 比比较大，按接法 2则光耦增益大，系统不稳定而出现振荡。MA Ohl / BCI4fflU光耦的4脚输出电压实际上，第2种接法在反激电路中比较常见，这是由于反激电路一般都出于效率考虑，电路通常工作于断续模式，驱动占空比比较小

12、，对应光耦电流Ic比较大，参考以上分析可知，闭环环路也比较容易稳定。4脚电压波形，如图以下是另外一个实验反激电路，工作在断续模式，实际测得其光耦團M 反激电圖光耦4脚 S 13反激电路趣动1W号 电压波妙波矽因此，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

13、取的限制。最后对光耦反馈进行总结，对今后的光耦反馈设计具有一定的参考价值6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其部有一个850 nm波长AIGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿 功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速（典型为10MBd），5mA的极小输入电流。特性： 转换速率高达10MBit/s; 摆率高达10kV/us; 扇出系数为8; 逻辑电平输出； 集电极开路输出；工作参数：最大输入电流，低电平：250uA最大输入电流，高电平：15mA最大允许低电平电压（

14、输出高）：0.8v最大允许高电平电压：Vcc最大电源电压、输出：5.5V扇出（TTL负载）：8个（最多）工作温度围：-40 °C to +85 C典型应用：高速数 字开关，马达控制系统和A/D转换等6N137光耦合器的部结构、管脚如图1所示6N1376N137光耦合器的真值如表1所示:6N137光耦合器的真值表输入使能输出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管脚旁应有 一个O.luF的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频 特性好的电容器，如瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片部已有上拉电阻

15、，无需再外接上拉电阻。6N137光耦合器的使用需要注意两点：第一是 6N137光耦合器的第6脚V 输出电路属于集电极开路电路，必须上 拉一个电阻；第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED，必须串接一个限流电阻。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其部有一个 850 nm波长AIGaAs LED和一个集成检测器组成, 其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补 偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速（典型为10MBd），5mA的极小输入电流。特性： 转换速率高达10MBit/s; 摆率高达

16、10kV/us; 扇出系数为8; 逻辑电平输出； 集电极开路输出工作参数：最大输入电流，低电平：250uA最大输入电流，高电平：15mA最大允许低电平电压（输出高）：0.8v最大允许高电平电压：Vcc最大电源电压、输出：5.5V扇出（TTL负载）：8个（最多）工作温度围：-40 °C to +85 °典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等6N137光耦合器的部结构、管脚如图1所示。6N1376N137光耦合器的真值如表1所示:6N137光耦合器的真值表输入使能输出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH需要注意的是，在6N137光耦合器的电源管脚旁应有 一个0.

17、1uF的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频 特性好的电容器，如瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。6N137光耦合器的使用需要注意两点：第一是 6N137光耦合器的第6脚Vo输出电路属于集电极开路电路，必须上 拉一个电阻；第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED，必须串接一个限流电阻。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其部有一个850 nm波长AIGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度

18、、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速（典型为10MBd），5mA的极小输入电流。 转换速率高达 10MBit/s; 摆率高达 10kV/us; 扇出系数为 8; 逻辑电平输出 ; 集电极开路输出 ;工作参数：最大输入电流，低电平： 250uA 最大输入电流，高电平： 15mA 最大允许低电平电压 （输出高 ）：0.8v 最大允许高电平电压： Vcc 最大电源电压、输出： 5.5V扇出（TTL负载）：8个（最多）工作温度围： -40 °C to +85 °C典型应用：高速数字开关，马达控制系统和 A/D 转换等6N137 光耦合器的部结构、管脚

19、如图 1 所示。6N137 光耦合器的真值如表 1 所示：6N137 光耦合器的真值表输入 使能 输出H H LL H HH L HL L HH NC LL NC H需要注意的是，在 6N137 光耦合器的电源管脚旁应有 个 0.1uF 的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电 容器，如瓷电容或钽电容，并且尽量靠近 6N137 光耦合器的电源管脚；另外，输入使能管脚在芯片部已有上拉电阻，无需再外 接上拉电阻。6N137光耦合器的使用需要注意两点：第一是6N137光耦合器的第6脚Vo输出电路属于集电极开路电路，必须上拉一个电阻;第二是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LE

20、D，必须串接一个限流电阻。一、6N137原理及典型用法6N137 的结构原理如图 1所示，信号从脚 2和脚3输入，发光二极管发光，经片光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光 照后导通，经电流 -电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出 三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开 路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。简单的原理如图 2所示，若以脚 2为输入，脚 3接地，则真值表如附表所列，这相当于非门的传输，若希望在传输过程中不改 变逻辑状态，则从脚 3 输入，脚

21、 2 接高电平。6N137 真值表 输入 使能 输出H H LL H HH L HL L H隔离器使用方法如图2所示，假设输入端属于模块I,输出端属于模块II。输入端有A、B两种接法，分别得到反相或同相逻辑 传输，其中 RF 为限流电阻。 发光二极管正向电流 0-250uA ，光敏管不导通； 发光二极管正向压降 1.2-1.7V ，正向电流 6.5-15mA ， 光敏管导通。若以B方法连接，TTL电平输入，Vcc为5V时，RF可选500Q左右。如果不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大对 Vcc1 有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相

22、当大的 尖峰脉冲噪声，而通常印刷电路板的分布电感会使地线吸收不了这种噪声，其峰-峰值可达100mV以上，足以使模拟电路产生自激， A/D 不能正常工作。所以在可能的情况下， RF 应尽量取大。输出端由模块II供电，。在Vcc2 （脚8）和地（脚5）之间必须接一个O.luF高频特性良好的电容，如瓷介质或 钽电容，而且应尽量放在脚 5 和脚 8 附近。这个电容可以吸收电源线上的纹波，又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电 源的冲击。脚7是使能端，当它在0-0.8V时强制输出为高（开路）；当它在2.0V-VCC2时允许接收端工作，见附表。脚6是集电极开路输出端，通常加上拉电阻RL。虽然输出低电平时

23、可吸收电路达 13mA，但仍应当根据后级输入电路的需要选择阻值。因为电阻太小会使 6N137 耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰 噪声带到地线上。一般可选 4.7k Q,若后级是TTL输入电路，且只有1到2个负载，则用47kQ或15kQ也行。CL是输出负载 的等效电容，它和 RL影响器件的响应时间，当 RL=350Q，CL=15pF时，响应延迟为48-75ns。注意：6N137不应使用太多， 因为它的输入电容有60pF，若过多使用会降低高速电路的性能。情况允许时，可考虑把并行传输的数据串行化，由一个光电隔 离器传送。二 6N137 应用实例信号采集

24、系统通常是模拟电路和数字电路的混合体，其中模数变换是不可缺少的。从信号通路来说，AD 变换之前是模拟电路，之后是数字电路。模拟电路和 AD 变换电路决定了系统的信噪比，而这是评价采集系统优劣的关键参数。为了提高信噪比，通 常要想办法抑制系统中噪声对模拟和 AD 电路的干扰。 在各种噪声当中， 由数字电路产生并串入模拟及 AD 电路的噪声普遍存在 且较难克服。数字电平上下跳变时集成电路耗电发生突变，引起电源产生毛刺，通常对开关电源影响比线性电源大，因为开关 电源在开关周期不能响应电流突变，而仅由电容提供电流的变化部分。一般数字电路越复杂，数据速率越高，累积的电流跳变 越强烈，高频分量越丰富。而普

25、通印刷电路的分布电感较大，使地线不能完全吸收逻辑电平跳变产生的电流高频分量，产生电 压的毛刺，而这种毛刺进入地线后就不能靠旁路电容吸收了，而且会通过共同的地线或穿过变压器，干扰模拟电路和AD 转换器，其幅度可高达几百毫伏，足以使 AD 工作不正常。本所研制的机载三通道红外成像扫描仪的数据采集系统， 要求信噪比 1000，12位量化级别，并行数据传输，数据传输率 500KB/s。 要达到上述要求， AD 能否达到转换精度是个关键。在未采用光电隔离器的电路中，虽采取了一系列措施，但因各模块间地线相 连，数字电路中尖峰噪声影响仍很大，系统信噪比仅达 500.故我们采用 6N137 将模拟电路及 AD

26、 变换器和数字电路彻底隔离， 电路如图 3所示。电源部分由隔离变压器隔离，减少电网中的噪声影响，数字电源和模拟电源不共地，由于模拟电路一般只有±15V，而AD转换器还需要+5V电源，为使数字电路与模拟电路真正隔离， +5V电源由+15V模拟电源经DC-DC变换器得到。模拟电路以及 AD 转换电路与数字电路的信号联系都通过 6N137。逐次比较型AD并行输出12位数据，每一路信号经缓存器后送入 6N137的脚 3，进行同相逻辑传输至数字电路，输入端限流电阻选用 470 Q，输出端上拉电阻选用 47k Q，输出端电源和地间（即 6N137的 脚8与脚5间）接0.1uF瓷片电容，作为旁路电

27、容以减少对电源的干扰， 6N137的使能端接选通信号，使6N137在数据有效时 才工作，减少工作电流。模拟电路和 AD 转换所需的各路控制信号也通过 6N137 接收，接法同上，在时序设计中要特别注意 6N137 约有 50ns 的延时，与未采用光电隔离器的数据采集电路相比，系统信噪比提高了一倍以上，满足了系统设计要求。高速光电耦合器6N137原理与应用星期三,一月 14, 2009 19:59MAJI发布：日志分类 电气|科技高速光电耦合器6N137由磷砷化傢发光二极管和光敏集 成检测电路组成。通过光敏二极管接收信号并经部高增益线性放大器把信号放大 后，由集电极开路门输出。6N137引脚图和

28、部结构图如图1和图2所示。该光电 器件高、低电平传输延迟时间短，典型值仅为45ns ,已接近TTL电路传输延迟时 间的水平。具有10Mbps的高速性能，因而在传输速度上完全能够满足隔离总线 的要求。部噪声防护装置提供了典型10kV/卩s的共模抑制功能。除此之外，6N137 还具有一个控制端，通过对该端的控制，可使光耦输出端呈现高阻状态。1:N.C. ; 2:Anode （阳极）;3:Cathode （阴极）;4:N.C. ; 5:GND 6:0utput（0pen collector开路集电极）；7:Enable （使能端）；8:VCC6N137原理及典型用法6N137的部结构原理如图3所示，信号从脚2和脚3输 入，发光二极管发光，经片光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导 通，经电流-电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端， 当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。 当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。裘1推荐便用工作条件符号罠十最大单位输入由涼氏低电平IXL02BO比A输入电流，高电平IFH6, S15imAr便能电压j氐电平VEL00*8V侵能电压,高电平VEH2