摘要

光耦合器對開關(guān)電源(SMPS)設(shè)計至關(guān)重要，它使得信號能夠安全、可靠地跨越電氣隔離邊界傳輸。而光耦合器的性能取決于適當(dāng)?shù)钠眉霸诜答伩刂骗h(huán)路內(nèi)的正確集成;配置錯誤會導(dǎo)致不穩(wěn)定、瞬態(tài)響應(yīng)不佳和調(diào)節(jié)性能下降。本文分為兩部分，探討SMPS中光耦合器的技術(shù)實現(xiàn)。第一部分討論關(guān)鍵工作原理，包括LED和光電晶體管偏置、電流傳輸比(CTR)的選擇及補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，這些方面對于保持控制環(huán)路精度和信號完整性非常重要。

引言

在隔離型開關(guān)電源(SMPS)架構(gòu)中，從輸出(次級)側(cè)到輸入(初級)側(cè)的反饋必須在不影響電氣隔離的情況下進行傳輸。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，通常的做法是將光耦合器與精密分流調(diào)節(jié)器(如LT1431)組合使用。分流調(diào)節(jié)器通過電阻分壓器來監(jiān)控SMPS的輸出電壓，并根據(jù)與期望設(shè)定點的偏差，調(diào)整流過光耦合器發(fā)光二極管(LED)的電流。

LED發(fā)出的光與正向電流(IF)成比例，光信號由初級側(cè)的光電晶體管進行檢測。該光電晶體管負(fù)責(zé)調(diào)制控制信號(通常位于脈寬調(diào)制(PWM)控制器的補償引腳(COMP))，從而影響開關(guān)控制器的占空比。這種閉環(huán)反饋機制可確保輸出電壓在變化的負(fù)載和輸入條件下保持穩(wěn)定。

此環(huán)路的性能對光耦合器的偏置和補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計非常敏感。不適當(dāng)?shù)钠每赡軙鸱蔷€性、飽和或響應(yīng)遲緩，而補償調(diào)整不當(dāng)可能會導(dǎo)致不穩(wěn)定或振蕩。

什么是光耦合器偏置?

光耦合器的偏置是指設(shè)置正確的工作條件，具體而言是設(shè)置流過LED的正向電流及光電晶體管的集電極-發(fā)射極電壓和電流，使得光耦合器在線性區(qū)域內(nèi)工作。這對于反饋系統(tǒng)至關(guān)重要，因為光耦合器必須跨越隔離柵準(zhǔn)確傳輸模擬信號。在隔離型SMPS中，光耦合器是次級側(cè)電壓檢測與初級側(cè)PWM控制器之間的橋梁。如果偏置不正確，反饋信號就會失真，導(dǎo)致電壓調(diào)節(jié)不佳或不穩(wěn)定。圖1展示了光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在SMPS中用作反饋元件時的相關(guān)外部元件。

圖1.反饋電路中光耦合器的典型連接

1. LED側(cè)——驅(qū)動光信號(輸入級)

在采用隔離反饋的SMPS中，光耦合器的LED側(cè)通常由分流調(diào)節(jié)器驅(qū)動，根據(jù)輸出電壓來調(diào)節(jié)LED的正向電流。此正向電流是一個關(guān)鍵控制參數(shù)，它決定了LED發(fā)射光的強度，進而控制次級側(cè)光電晶體管的導(dǎo)通水平。LED在正偏區(qū)域內(nèi)工作，其光輸出隨IF的提高而提高。推薦的工作電流范圍通常為1 mA至10 mA，但不同型號可能有所差異。

工作電流低于此范圍會導(dǎo)致光功率不足，進而造成光電晶體管激活不充分，反饋調(diào)節(jié)不佳。另一方面，工作電流超過上限會產(chǎn)生熱應(yīng)力，縮短LED壽命，并因老化加速和結(jié)發(fā)熱效應(yīng)而降低光學(xué)效率。在實際設(shè)計中，LED電流由光耦合器LED陽極處的電阻(R2)設(shè)定;當(dāng)分流調(diào)節(jié)器響應(yīng)輸出電壓的變化而調(diào)整其陰極電流時，LED電流會動態(tài)調(diào)整。

環(huán)路設(shè)計中還必須考慮LED的正向壓降，尤其是在計算低壓軌的裕量時。在高性能或快速瞬變SMPS的設(shè)計中，為了確保光耦合器反饋路徑的準(zhǔn)確性、低噪聲和熱可靠性，保持穩(wěn)定且精確受控的IF至關(guān)重要。

2. 電流傳輸比

電流傳輸比(CTR)是選擇光耦合器時需要考慮的另一個參數(shù)。它指的是光電晶體管輸出電流與LED輸入電流之比，通常以百分比表示。例如，100%的CTR意味著1 mA的LED電流會導(dǎo)致光電晶體管輸出1 mA的集電極電流。

CTR不是一個固定的值，它隨溫度、LED電流和器件老化而變化。例如，PC817D光耦合器的CTR在50%至600%之間，具體取決于產(chǎn)品型號和工作條件。設(shè)計人員必須考慮要保證的最小CTR，以確保系統(tǒng)在最壞情況下也能可靠運行。

選擇CTR時的關(guān)鍵考慮因素

針對最小CTR進行設(shè)計，可確保反饋環(huán)路即使在最壞情況下也能正常工作。CTR可能因器件不同和時間推移而發(fā)生顯著變化，圍繞預(yù)計的最小CTR進行設(shè)計可保證即使光耦合器性能下降或在其規(guī)格邊緣運行，光電晶體管也會提供足夠的電流來驅(qū)動PWM控制器的COMP引腳。

溫度漂移是另一個重要因素，因為CTR通常隨著溫度升高而降低。如果不考慮這種漂移，反饋環(huán)路在高溫下可能會失去增益，導(dǎo)致響應(yīng)遲緩，甚至喪失調(diào)節(jié)功能。設(shè)計人員必須確保環(huán)路具有足夠的裕量，能夠在整個工作溫度范圍內(nèi)保持控制。

隨著時間推移，老化效應(yīng)也會導(dǎo)致CTR降低，尤其是在以大電流驅(qū)動LED的情況下。這種退化會導(dǎo)致給定電流下LED發(fā)出的光量減少，從而削弱反饋信號。在產(chǎn)品的整個使用壽命期間，這可能會導(dǎo)致補償不足或不穩(wěn)定，除非初始設(shè)計中包含了足夠的裕量。

最后，線性度對于環(huán)路行為的可預(yù)測性至關(guān)重要。如果光耦合器工作在非線性區(qū)域，即LED電流的微小變化會導(dǎo)致光電晶體管電流發(fā)生不成比例的變化，反饋信號就會失真。這種非線性會使補償設(shè)計復(fù)雜化，并降低輸出電壓調(diào)節(jié)的精度和穩(wěn)定性。

設(shè)計人員通過仔細(xì)考慮這些因素，可確?；诠怦詈掀鞯姆答伃h(huán)路在產(chǎn)品的整個使用壽命期間和不同環(huán)境條件下均能保持魯棒、準(zhǔn)確和穩(wěn)定。對于反饋應(yīng)用，更嚴(yán)格的CTR容差(如100%至200%)是更好的選擇，有助于維持一致的環(huán)路增益和環(huán)路行為的可預(yù)測性。

3. 光電晶體管側(cè)——接收信號(輸出級)

光電晶體管是將內(nèi)部LED的光信號轉(zhuǎn)換為電輸出的關(guān)鍵元件。光電晶體管通常采用共發(fā)射極配置，其發(fā)射極接地，其集電極連接到上拉電阻(R1)，由此決定輸出電壓擺幅。當(dāng)光耦合器內(nèi)部的LED正偏時，它會發(fā)出紅外光，照射到光電晶體管的基極區(qū)域，使其導(dǎo)通。產(chǎn)生的集電極電流(IC)與LED的正向電流和器件的CTR成比例。

隨著LED照度的增強，光電晶體管的導(dǎo)電水平會提高，集電極電壓下降，從而產(chǎn)生低電平輸出信號。這種行為在隔離型反饋系統(tǒng)中至關(guān)重要，例如在SMPS中，集電極通常與COMP引腳或PWM控制器的反饋端相連。此節(jié)點的電壓會直接影響控制器的占空比，從而調(diào)節(jié)輸出電壓或電流。集電極上的上拉電阻不僅設(shè)置晶體管關(guān)斷時的高電平輸出電壓，還影響反饋環(huán)路的動態(tài)響應(yīng)。較低的電阻值可以改善響應(yīng)時間，但可能會降低電壓擺幅，而較高的電阻值會提高擺幅，但代價是轉(zhuǎn)換速度較慢。此外，光電晶體管的開關(guān)速度、飽和特性和關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流都是重要的設(shè)計考慮因素，尤其是在高頻或精密應(yīng)用中。

SMPS反饋系統(tǒng)中光耦合器的正確偏置，對于確?？绺綦x柵準(zhǔn)確傳輸模擬信號至關(guān)重要。LED側(cè)必須在其最佳電流范圍內(nèi)驅(qū)動，以保持線性光輸出，避免因過熱而性能下降。在輸出側(cè)，光電晶體管必須配置為將光信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電信號，以便有效控制PWM控制器。所選的光耦合器應(yīng)具有適當(dāng)且嚴(yán)格規(guī)定的CTR，以確保即使在溫度變化和老化的情況下，它也能保持一致的環(huán)路增益?？傊?，這些考量可確保設(shè)計在電源的整個使用壽命期間保持魯棒、穩(wěn)定、精確的電壓調(diào)節(jié)。工程師通過遵循數(shù)據(jù)手冊建議、對環(huán)路進行仿真并在全溫度范圍內(nèi)進行測試，可確保設(shè)計方案性能穩(wěn)健且可預(yù)測。

簡而言之，光耦合器偏置并非只是點亮LED燈那么簡單，而是涉及高速控制系統(tǒng)中關(guān)鍵模擬鏈路的調(diào)校。只有掌握這一點，才能確保SMPS設(shè)計不僅正常工作，而且可靠高效。

補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

在SMPS中，補償網(wǎng)絡(luò)連接到并聯(lián)調(diào)節(jié)器，成為誤差放大器。它對于塑造反饋系統(tǒng)的開環(huán)頻率響應(yīng)起著關(guān)鍵作用。其主要目的是在變化的負(fù)載和線路條件下，確保環(huán)路穩(wěn)定、瞬態(tài)響應(yīng)快速且電壓調(diào)節(jié)精準(zhǔn)。

在使用光耦合器和分流調(diào)節(jié)器的隔離型反饋系統(tǒng)中，反饋路徑會引入額外的動態(tài)因素，必須加以謹(jǐn)慎管理。在電源應(yīng)用中，通用光耦合器的帶寬通常在20 kHz至500 kHz的范圍內(nèi)，這會給系統(tǒng)帶來一個低頻極點。同時，分流調(diào)節(jié)器會增加增益;如果偏置不當(dāng)，可能會引入非線性行為。這些特性會降低系統(tǒng)的相位裕量，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

為了抵消這些影響，需設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)以引入零點和極點，從而塑造環(huán)路增益和相位。極點和零點較少的補償網(wǎng)絡(luò)通常適合于中等帶寬和電流模式控制應(yīng)用。對于需要更高帶寬或采用電壓模式控制的設(shè)計，更復(fù)雜的補償網(wǎng)絡(luò)能夠提供更大的相位裕量，并提升整體設(shè)計性能。

補償網(wǎng)絡(luò)的類型及其影響

在SMPS控制環(huán)路中，補償網(wǎng)絡(luò)用于塑造環(huán)路增益和相位響應(yīng)，以確保穩(wěn)定性和快速瞬態(tài)性能。這些網(wǎng)絡(luò)通常在分流調(diào)節(jié)器中實現(xiàn);而在非隔離型應(yīng)用中，則通過PWM控制器的COMP引腳實現(xiàn)。具體的設(shè)計基于控制方法(電流模式或電壓模式)及功率級和反饋路徑的動態(tài)特性。

圖2.補償網(wǎng)絡(luò)的類型

如圖2所示，在SMPS控制設(shè)計中，補償技術(shù)對于確保環(huán)路穩(wěn)定性、快速瞬態(tài)響應(yīng)和精準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)至關(guān)重要。I型補償由單個積分器組成，由于其相位提升能力有限且瞬態(tài)性能不足，在SMPS中很少使用。它主要適用于本身具有穩(wěn)定動態(tài)特性的系統(tǒng)，例如線性穩(wěn)壓器，此類系統(tǒng)只需極少的相位校正。II型補償在積分器旁引入一個零點，非常適合電流模式控制架構(gòu)。在此類系統(tǒng)中，內(nèi)部電流環(huán)路貢獻一個主導(dǎo)極點，從而簡化外部電壓環(huán)路。增加的零點可提升相位裕量并減輕輸出濾波器極點的失穩(wěn)影響，從而改善環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性。III型補償包含兩個零點和兩個極點，最為靈活，廣泛用于電壓模式控制系統(tǒng)。它能夠通過精確的環(huán)路整形，實現(xiàn)高交越頻率、嚴(yán)格的輸出調(diào)節(jié)和穩(wěn)健的穩(wěn)定性裕量。通常，零點用于抵消LC輸出濾波器形成的雙極點，而極點會衰減高頻增益，從而維護相位裕量并抑制噪聲。

穿越頻率(此時環(huán)路增益等于1)通常設(shè)置為開關(guān)頻率的十分之一，以避免與開關(guān)諧波相互作用，并保持至少45°的相位裕量。有效的補償可確保反饋環(huán)路迅速響應(yīng)負(fù)載瞬變，而不會出現(xiàn)過沖或振蕩，從而在不同工作條件下保持精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。此外，環(huán)路帶寬需要精心平衡：既要足夠?qū)捯皂憫?yīng)負(fù)載或輸入電壓的動態(tài)變化，又要足夠窄以避免放大高頻噪聲或引起不穩(wěn)定。設(shè)計人員還必須考慮實際存在的非理想因素，例如光耦合器電流傳輸比變化、溫度漂移和元件容差，所有這些因素都可能顯著影響環(huán)路動態(tài)特性和長期可靠性。

實用設(shè)計技巧

? 利用伯德圖工具或SPICE模型對環(huán)路進行仿真，以檢查增益和相位裕量，并在實際電路板設(shè)計中進行驗證。

? 應(yīng)考慮光耦合器帶寬，它會引入低頻極點并限制環(huán)路速度。

? 為元件容差和老化效應(yīng)預(yù)留裕量。

? 確保交越頻率遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率(通常為1/10)，以避免其與開關(guān)諧波相互作用。

? 使用軟啟動和過流保護特性，防止啟動期間或故障情況下環(huán)路不穩(wěn)定。

本系列的第二部分將繼續(xù)研究隔離型正激轉(zhuǎn)換器中PWM控制器和LT1431并聯(lián)調(diào)節(jié)器在瞬態(tài)負(fù)載條件下的動態(tài)響應(yīng)。LTspice®仿真可清晰展現(xiàn)光耦合器偏置和CTR對反饋精度和環(huán)路穩(wěn)定性的影響。文章還將介紹Coupler®i技術(shù)，它是一種高性能替代方案，適合最新的隔離和反饋應(yīng)用。

結(jié)語

光耦合器偏置是隔離型SMPS設(shè)計中一個關(guān)鍵但常被忽視的方面。確保光耦合器的LED側(cè)和光電晶體管側(cè)正確偏置，對于維持線性操作、精準(zhǔn)信號傳輸和長期可靠性至關(guān)重要。必須精心考慮正向電流、CTR和溫度漂移等關(guān)鍵參數(shù)，以避免不穩(wěn)定、非線性和性能下降。

補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計同樣重要，它決定反饋環(huán)路的頻率響應(yīng)，并確保環(huán)路在變化的負(fù)載和線路條件下始終穩(wěn)定。無論使用II型還是III型補償，設(shè)計人員都必須平衡帶寬、相位裕量和抗噪能力，實現(xiàn)穩(wěn)健且靈敏的調(diào)節(jié)。

掌握光耦合器偏置和補償技術(shù)，有助于工程師打造出優(yōu)秀的SMPS系統(tǒng)，不僅具備電氣隔離特性，而且在實際工況下保持精確性、高效率和強韌性。