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PC817+TL431的组合设计

  • 2020-09-22 14:01
  • boy59

    LV.2
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  •   在隔离型开关电源中经常会采用光耦PC817匹配运放TL431来实现隔离反馈功能,其中TL431是主要的环路补偿器件(实现PID或者Type类补偿器)而PC817则主要用来实现隔离功能。但实际中如果光耦PC817的周边电阻匹配不恰当也会导致某些条件下环路不能正常工作,给调试工作带来不必要的麻烦。下面就以图一电路为例简单介绍PC817周边电阻的设计方法。

    电路图

                 1 PC817+TL431电路

    首先了解一下PC817TL431的特性:

    一、光耦PC817跟三极管有些类似,三极管中集电极电流和基极电流关系约为Ic=β*Ib,在PC817中集电极和“基极”的电流关系约为IL=Ctr*If,其中Ctr(Current transfer ratio)等同于三极管中的β。不同之处这个Ctr是个随电流If变化的曲线,PC817x中有多种型号对应着不同的Ctr,常用的是PC817A,见下表。

    PC817型号

                                      1 PC817x对应的Ctr

    PC817ACtr曲线如下:

    Ctr拟合曲线

                             2数据手册对比Ctr拟合曲线

    为方便后续计算用两段拟合曲线拼出Ctr曲线,这里也可以采用多段线性拼接的方式。

    二、TL431正常工作时要满足两个条件,

    1、TL431的集电极电压要大于2.5V

    2、TL431的集电极电流要大于0.6mA

    这两个条件间接的影响了PC817的参数设计。

    跟三极管类似,PC817的参数设计就是对静态工作点的设置,其周边共有三个电阻所以参数设计也分为三步。

    第一步,电阻RL的参数设计

    参考图1PC817输出电压FB满足公式:

    FB=Vcc-IL*RL                   公式(1

    首先根据电源控制IC给定的FB脚电压范围设定FBmaxFBmin其次设置一个最大Ifmax利用公式可以求出最小RL值,见下图。

    RL计算

                                  3-1电阻RL计算方法

    反过来如果先给定最小电阻RL再求最大电流If也是可行的,这里电阻RL的选取参考功耗和环路速度这两方面,RL取值越大则电路功耗越低但环路响应也越慢,因为光耦引入了一个极点见下图:

    光耦极点

                                          3-2电阻RL对极点的影响

    如图3-2电阻RL越小极点频率越高,如果取RL=1kΩ则对10kHz以内的影响几乎可以忽略。

    第二步,电阻Rf的参数设计

    因匹配的TL431有最小工作电流限制,这里的电阻Rf就依此来设计。参考图1PC817的输入电流If满足公式:

    VF/Rf+Ifmin>Ikamin        公式(2

    设发光二极管的压降VF=1.2VTL431的最小工作电流Ikamin=1mA(综合温度、参数漂移等影响留一定余量),利用公式(1)计算出的最小工作电流Ifmin就可以求出最大Rf阻值,见下图。

    Rf计算

                                            4-1电阻Rf计算方法

    某些情况下电阻Rf可以省掉进一步降低功耗,举个例子假设控制ICFB范围为0~3V,重新计算的结果为:

    Rf计算2

                                                      4-2不需要电阻Rf的情况

    4-2假设的例子中发光二极管最小工作电流Ifmin=1.9mA大于TL431的最小工作电流Ikamin=1mA,所以这里就不再需要电阻Rf了。

    第三步,电阻RD的参数设计

    因匹配的TL431有最小工作电压限制,这里的电阻RD就依此来设计。参考图1TL431的输出电压满足公式:

    Vka=Vo-Ika*RD-VF                        公式(3

    公式中的IkaTL431的集电极电流等发光二极管电流If与流经电阻Rf的电流之和。

    RD计算

                                               5电阻RD计算方法

    按照上述三步设计的参数已经可以让光耦PC817工作在一个合适的静态工作点上,下面再进行反向验证,可以代入之前计算的电阻值也可以代入自定义电阻值,根据之前计算的极值在TL431集电极处注入一交流电压信号就可以得出各工况下的电压、电流及功耗波形。

    首先电压波形验证,

    电压验证

                                                               6电压验证

    6中注入电压信号最低值2.5V、最高值8.97V,输出FB端电压最低0.2V、最高4.8V跟设定值一致。

    其次电流波形验证

    电流验证

                                                           7电流验证

    7TL431最小电流1mAPC817最大电流4mA跟设定值一致。

    最后功耗验证

    功耗验证

                                                                 8功耗验证

    8TL431PC817的功耗都低于20mW远低于数据手册上提供的70mW+150mWPC817),最后得出结论所匹配参数满足设计要求。

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  • zhou2013

    LV.1

    2020-09-23 11:12

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    可以,谢谢
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  • peterchen0721

    LV.1

    2020-09-24 09:29

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    學習啦!!
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  • xzhheng

    LV.1

    2020-09-24 22:23

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    多点这种基础的详解,让大家更好掌握

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  • BEYOND1993

    LV.1

    2020-09-25 12:40

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    谢谢楼主,学习了
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  • lixintian

    LV.1

    2021-06-15 23:41

    @

    请问楼主,PC817A的CTR的拟合曲线是怎样得到的

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  • boy59

    LV.1

    2021-06-16 09:42

    @lixintian

    请问楼主,PC817A的CTR的拟合曲线是怎样得到的

    用曲线拟合软件(CurveExpert)或者Mathcad、Matlab等软件

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  • yhtuse

    LV.1

    2021-07-21 16:41

    @

    很不错的知识,谢谢分享,

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  • 欣扬科技

    LV.1

    2021-07-27 08:54

    @

    这几个参数容易懂,TL431环路补偿那两个RC不知道怎么设计,基本都是10K/0.1U好像对电源也没太大影响,大师哪能不能从实际调试出发说下这两个参数怎么确定。

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  • boy59

    LV.1

    2021-07-27 11:28

    @欣扬科技

    这几个参数容易懂,TL431环路补偿那两个RC不知道怎么设计,基本都是10K/0.1U好像对电源也没太大影响,大师哪能不能从实际调试出发说下这两个参数怎么确定。

    比如上图,R2/R1越大动态特性越好(穿越频率越高),太过了容易震荡,一般取值范围0.1~10。

    C2*R2乘积结果越小动态特性越好(相位余量小),太过了容易震荡,一般fz=1/(2*pi*R2*C2)取值范围100~10kHz。

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  • boy59

    LV.1

    2021-07-27 12:53

    @boy59

    比如上图,R2/R1越大动态特性越好(穿越频率越高),太过了容易震荡,一般取值范围0.1~10。

    C2*R2乘积结果越小动态特性越好(相位余量小),太过了容易震荡,一般fz=1/(2*pi*R2*C2)取值范围100~10kHz。

    电流模式反激为例,其功率级bode图有充足的相位余量所以补偿参数比较容易匹配(感觉影响不大)

    上图中假设R1=4.7k,首先取R2=10k将穿越频率设置在2kHz附近,接着取电容C2=10nF将穿越频率处的相位余量调至70度左右。蓝色虚线为补偿后的结果。

    隔离型电源一般都采用PC817光耦做反馈,由于光耦有个10kHz左右的极点所以穿越频率都设置在几kHz以下。

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