几种常用的光耦反馈电路应用

1、精选文档在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简洁、低成本的方式。但对于光耦反馈的各种连接方式及其区分，目前尚未见到比较深化的争辩。而且在很多场合下，由于对光耦的工作原理理解不够深化，光耦接法混乱，往往导致电路不能正常工作。本争辩将具体分析光耦工作原理，并针对光耦反馈的几种典型接法加以对比争辩。 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

2、三极管电流Ic与原边二极管电流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猛烈的场合，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，使用这类光耦必需留意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，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内部基准为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。  &#

3、160; 常见的光耦反馈第1种接法，如图1所示。图中，Vo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)的内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。留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：当输出电压上升时，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TLP521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

4、引脚电压下降，占空比减小，输出电压减小；反之，当输出电压降低时，调整过程类似。    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，而芯片内部的电压误差放大器必需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(超过运放电流输出力量)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，接受这种接法的电路，肯定要把PWM 芯片的误差放大器的两个输入引脚接到固定电位上，且必需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。   &#

5、160; 图2所示接法的工作原理是：当输出电压上升时，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力量，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，调整过程类似。    常见的第3种接法，如图3所示。与图1基本相像，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，避开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。调整过程基本上同图1接法全都。    常见的第4种接法，如图4所示。该接法与第2种接法类似，区分

6、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全都，其工作原理基本同接法2。 2 各种接法的比较    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Ic-Vce曲线，如图5，图6所示。     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的猛烈变化，光耦的输出特性曲线平缓。这时假如将光耦作为电源反馈网络的一部分，其传递函数增益格外大。对于整个系统来说，一个格外高的增益简洁引起系统不稳定，所以将光耦的静态工作点设置在电流If小于5

7、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，光耦开头趋向饱和，Ic-If的值随着If的增大而减小。对于一个电源系统来说，假如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(从而输出特性简洁饱和)，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，曲线外形仍旧同图7，

8、只是温度上升，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。     由图8可以看出，在If大于5 mA时，Ic-Ta曲线基本上是相互平行的依据上述分析，以下针对不同的典型接法，对比其特性以及适用范围。本争辩以实际的隔离半桥帮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力量影响，光耦的工作点选取可以通过其外接电阻任凭调整。    依据前面的分析，令电流If的静态工作点值大约为10 m

9、A，对应的光耦工作温度在0100变化，值在2015 mA之间。一般PWM芯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670，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560。电阻R1与R2的值简洁选取，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。    试验中，半桥帮助电源输出负载为把握板上的各类把握芯片，加上多路输出中各路的死负载，最终的实际功率大约为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，从而打算驱动占空比)波形，如图9所示。对应的驱动信号波形

10、，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原因。可以看出，驱动信号的占空比比较大，大约为0.7。     对于第2种接法，一般芯片内部的电压误差放大器，其最大电流输出力量为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，假如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，Ib为2 mA左右。由图6可知，Ib值较小时，微小的Ib变化将引起Ic猛烈变化，光耦的增益格外大，这将导致闭环网络不简洁稳定。而假如电源稳态占空比比

11、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Ic比较大(远大于3 mA)，则对应的Ib也比较大，同样对应于图6，当Ib值较大时，对应的光耦增益比较适中，闭环网络比较简洁稳定。    同样，对于上面的半桥帮助电源电路，用接法2代替接法1，闭环不稳定，用示波器观看光耦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，可发觉明显的振荡。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，系统不稳定而消灭振荡。     实际上，第2种接法在反

12、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，对应光耦电流Ic比较大，参考以上分析可知，闭环环路也比较简洁稳定。    以下是另外一个试验反激电路，工作在断续模式，实际测得其光耦4脚电压波形，如图12所示。实际测得的驱动信号波形，如图13所示，占空比约为0.2。     因此，在光耦反馈设计中，除了要依据光耦的特性参数来设置其外围参数外，还应当知道，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适用于任何占空比状况，而反馈方式2、4比较适合于在占空比比较小的场合使用

13、。 3 结束语    本争辩列举了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取的限制。最终对光耦反馈进行总结，对今后的光耦反馈设计具有肯定的参考价值6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs 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

14、微小输入电流。特性：转换速率高达10MBit/s;摆率高达10kV/us;扇出系数为8;规律电平输出;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) 工作温度范围：-40°C to +85°C 典型应用：高速数字开关，马达把握系统和A/D转换等 6N137光耦合器的内部结构、管脚如图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HHLLHHHLHLLHHNCLLNC

15、H    需要留意的是，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，如陶瓷电容或钽电容，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内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。    6N137光耦合器的使用需要留意两点：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，必需上拉一个电阻；其次是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED，必需串接一个限流电阻。    6N137光耦合器是一款用于单通道的高

16、速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs 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的微小输入电流。特性：转换速率高达10MBit/s;摆率高达10kV/us;扇出系数为8;规律电平输出;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

17、温度范围：-40°C to +85°C 典型应用：高速数字开关，马达把握系统和A/D转换等 6N137光耦合器的内部结构、管脚如图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HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH    需要留意的是，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，如陶瓷电容或钽电容，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内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。    6N1

18、37光耦合器的使用需要留意两点：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，必需上拉一个电阻；其次是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED，必需串接一个限流电阻。6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs 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的微小输入电流。 特性： 转换速率高达10MBit/s; 摆率高达10kV/us; 扇出系数为8;

19、规律电平输出; 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) 工作温度范围：-40°C to +85°C 典型应用：高速数字开关，马达把握系统和A/D转换等 6N137光耦合器的内部结构、管脚如图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 L L H H H L H L L H H NC L L NC H 需要留意的是，在6N137光耦合

20、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，如陶瓷电容或钽电容，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内部已有上拉电阻，无需再外接上拉电阻。 6N137光耦合器的使用需要留意两点：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，必需上拉一个电阻；其次是6N137光耦合器的第2脚和第3脚之间是一个LED，必需串接一个限流电阻。 - 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，经片内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

21、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，但这个规律高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。 简洁的原理如图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，若期望在传输过程中不转变规律状态，则从脚3输入，脚2接高电平。 6N137真值表 输入 使能 输出 H H L L H H H L H L 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规律传输，其中R

22、F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500左右。假如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取不了这种噪声，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。所以在可能的状况下，RF应尽量取大。 输出端由模块II供电，Vcc2=4.5-5.5V。在Vcc2（脚

23、8）和地（脚5）之间必需接一个0.1uF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8四周。这个电容可以吸取电源线上的纹波，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。虽然输出低电平常可吸取电路达13mA，但仍应当依据后级输入电路的需要选择阻值。由于电阻太小会使6N137耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸取，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，若后级是TTL输入电路，且只有1到2个负

24、载，则用47k或15k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=350，CL=15pF时，响应延迟为48-75ns。留意：6N137不应使用太多，由于它的输入电容有60pF，若过多使用会降低高速电路的性能。状况允许时，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，其中模数变换是不行缺少的。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变换电路打算了系统的信噪比，而这是评价采集系统优劣的关键参数。为了提高信噪比，通常要想方法抑制系统中噪声对模拟和AD电路的干扰。在各种噪

25、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，由于开关电源在开关周期内不能响应电流突变，而仅由电容供应电流的变化部分。一般数字电路越简单，数据速率越高，累积的电流跳变越猛烈，高频重量越丰富。而一般印刷电路的分布电感较大，使地线不能完全吸取规律电平跳变产生的电流高频重量，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取了，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

26、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。在未接受光电隔离器的电路中，虽实行了一系列措施，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.故我们接受6N137将模拟电路及AD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，削减电网中的噪声影响，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

27、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，进行同相规律传输至数字电路，输入端限流电阻选用470，输出端上拉电阻选用47k，输出端电源和地间（即6N137的脚8与脚5间）接0.1uF瓷片电容，作为旁路电容以削减对电源的干扰，6N137的使能端接选通信号，使6N137在数据有效时才工作，削减工作电流。模拟电路和AD转换所需的各路把握信号也通过6N137接收，接法同上，在时序设计中要特殊留意6N137约有50ns的延时，与未接受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 1

28、4, 2009 19:59 MAJI发布： 日志分类 电气|科技          高速光电耦合器6N137 由磷砷化镓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内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引脚图和内部结构图如图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。内部噪声防护装置供应了典型10kV/s的共模抑制功能。除此之外

29、,6N137 还具有一个把握端,通过对该端的把握, 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:Output(Open collector开路集电极)；7:Enable（使能端）；8:VCC6N137原理及典型用法           6N137的内部结构原理如图3所示，信号从脚2和脚3输入，发光二极管发光，经片内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，但这个规律高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。           简洁的原理如图1所示，若以脚2为输入，脚3接地，则真值表