【通俗易懂】快速確定反饋迴路的參數--開關電源!

2020-11-25 電子工程專輯

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引言


開關電源反饋迴路主要由光耦（如PC817）、電壓精密可調並聯穩壓器（如TL431）等器件組成。要研究如何設計反饋迴路，首先先要了解這兩個最主要元器件的基本參數。


一、光耦



PC817的基本參數如下表：



二、可調並聯穩壓器



由TL431的等效電路圖可以看到，Uref是一個內部的2.5V 基準源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當REF 端（同相端）的電壓非常接近Uref（2.5V）時，三極體中才會有一個穩定的非飽和電流通過，而且隨著REF 端電壓的微小變化，通過三極體VT的電流將從1 到100mA 變化。


當然，該圖絕不是TL431 的實際內部結構，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設計、分析應用TL431 的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的。


前面提到TL431 的內部含有一個2.5V 的基準電壓，所以當在REF 端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬範圍的分流，控制輸出電壓。如圖2 所示的電路，當R1 和R2 的阻值確定時，兩者對Vo 的分壓引入反饋，若Vo 增大，反饋量增大，TL431 的分流也就增加，從而又導致Vo 下降。

顯見，這個深度的負反饋電路必然在Uref等於基準電壓處穩定，此時Vo=(1+R1/R2)Vref。


圖2


選擇不同的R1 和R2 的值可以得到從2.5V 到36V 範圍內的任意電壓輸出，特別地，當R1=R2 時，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證TL431 工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大於1 mA 。


了解了TL431和PC817的基本參數後，來看實際電路：

圖3

反饋迴路主要關注R6、R8、R13、R14、C8這幾個器件的取值。


首先來看R13。R13、R14是TL431的分壓電阻，首先應先確定R13的值，再根據Vo=(1+R14/R13)Vref 公式來計算R14的值。


1.確定R13.、R14取值

確定R13的值考慮以下兩個條件：

①TL431 參考輸入端的電流，一般此電流為2uA 左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R13 的電流為參考段電流的100 倍以上，所以此電阻要小於2.5V/200uA=12.5K。


②考慮到待機功耗及瞬態響應，若取值太小，則通過的電流大，根據P=I2R公式，待機功耗大；若取值太大，則通過的電流小，反饋迴路瞬態響應將受到影響。故，R13在滿足條件1的情況下儘量取中間值或大於中間值。

本設計為5V/1.5A適配器設計，R13取5.6K，理論上要得到5V輸出，R13與R14值相等即可，但考慮適配器實際應用存在線損，故選R14值略大於R13，取6.2K。


計算得：Vo=(1+6.2/5.6)*2.5=5.26V，結合使用的輸出線規格及線損，在輸出滿載情況下，線末端能夠得到5V電壓。


2.確定R6、R8取值

由輸出為5V知a點電壓略高於5V，取5.3V

圖4為TL431內部電路圖，由圖中可知，K端與R端相差一個PN節（即三極體工作在飽和狀態時，K端將比R端電壓高0.7V（矽管）），當開關電源工作時，下圖中的Q1將工作在放大模式，根據三極體的放大特性，K端電壓將比R端電壓至少大0.7V，根據經驗，K端電壓比R端電壓高1.5V~1.7V，即圖3中的c點電壓比d點電壓高1.5V~1.7V，d點電壓為TL431基準電壓，為2.5V，則c點電壓為4V~4.2V。


圖4

由光耦參數表可知，發光二極體正向壓降為0.8~1.4V（取1V，IF為3~5mA時），這樣可得b點電壓為5V~5.2V

由上述條件，我們已經計算出圖2中

a點電壓為5.3V；

b點電壓為5~5.2V（取5.1V）；

c點電壓為4~4.2V（取4.1V）；

d點電壓為2.5V；


由發光二極體參數知，IF<50mA,根據經驗，IF一般取3mA。R8電阻是為TL431提供死區電流而設計的，查閱TL431參數知，要保證工作正常，TL431的Ika需大於1mA,小於100mA，一般取3~5mA。計算得R6=(5.3V-5.1V)/3~5mA =40Ω~67Ω。本設計取56R。R8<(1.2V/1mA)=1.2K,根據經驗，一般取1K或470Ω


3.確定C8取值

有的電路設計中為提升低頻增益，用一個電阻和一個電容串接於TL431控制端和輸出端，來壓制低頻（100Hz）紋波和提高輸出調整率，即靜態誤差，目的就是提升相位，要放在帶寬頻率的前面來增加相位裕度，具體位置要看其餘功率部分在設計帶寬處的相位是多少，電阻和電容的頻率越低，其提升的相位越高，當然最大只有90 度，但其頻率很低時低頻增益也會減低，一般放在帶寬的1/5 初，約提升相位78 度。根據計算，一般選用104電容或104電容與1K電阻串聯。（具體計算比較複雜）

以上數據僅為理論計算，具體應根據實際測試情況進行微調處理。


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