電源設計中關於隔離型反饋光耦與TL431的難點解答

2020-11-25 電子發燒友

我們在設計電源的時候，一般常用的隔離型的反饋也就是光耦+TL431，關於其調節這也是一個熱點和難點，在這個帖子中儘管沒有**的解答，但仍然是有學習的地方，因為在這方面我也遇到了好多問題，在此與大家分享一下

提問：

1.在計算各個電阻的時候， 計算R5和數字電阻的阻值時， 是要讓數字電阻分壓為2.5V麼（TL431極限電壓）？ 然後根據輸出電壓分壓計算？？

2.我的輸出電壓變化範圍很大， 是從58V到320V之間的變化。  所以。。。   給TL431供電的反饋端是不是要用穩壓呀？  主要我是覺得， 當電壓變化時，TL431上是2.5V, 那麼加在R3上的電壓一變化，電流就變化了呀，這樣反饋過去的電壓就變了呀。。。。

3.計算光耦三極體端參數（R1,R2）時， 按照論壇上大大們說的： 取光耦二極體端電流為1.5mA？  然後計算出原端電流，按照這一電流計算R1和R2，對嗎？

開關電源的穩壓反饋通常都使用TL431和PC817，如輸出電壓要求不高，也可以使用穩壓二極體和PC817，**公司生產的TL431一是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V範圍內的任何值（如圖2）。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，在很多應用中可以用它代替齊納二極體，例如，數字電壓表，運放電路、可調壓電源，開關電源等等。

其結構圖如下：

由圖可以看到，VI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VI（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 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。當R1和R2的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若V o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VI等於基準電壓處穩定，此時Vo=(1+R1/R2)Vref。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 。

R13的取值，R13的值不是任意取的，要考慮兩個因素：1）431參考輸入端的電流，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)待機功耗的要求，如有此要求，在滿足12.5K的情況下儘量取大值。TL431的死區電流為1mA，也就是R6的電流接近於零時，也要保證431有1mA，所以R17<=1.2V/1mA=1.2K即可。除此以外也是功耗方面的考慮，R17是為了保證死區電流的大小，R17可要也可不要，當輸出電壓小於7.5v時應該考慮必須使用，原因是這裡的R17既然是提供TL431死區電流的，那麼在發光二極體導通電壓不足時才有用，如果發光二極體能夠導通，就可以提供TL431 足夠的死區電流，如果Vo很低的時候，計算方法就改為R17=（Vo-Vk）/1mA（這裡Vk=Vr-0.7=1.8v）；當Vo=3.3V時R17 從死區電流的角度看臨界最大值R17=（3.3-1.8）/1mA=1.5k，從YL431限流保護的角度看臨界最小值為R17=（3.3-1.8）/100mA=15Ω。 當Vo較高的時候，也就是Vo大於Vk+Vd的時候，也就是差不多7.5v以上時，TL431所需的死區電流可以通過發光二極體的導通提供，所以這是可以不用R17。   

R6的取值要保證高壓控制端取得所需要的電流，假設用PC817（U1-B），其CTR=0.8-1.6,取低限0.8，要求流過光二極體的最大電流=6/0.8=7.5mA,所以R6的值<=(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K,光二極體能承受的最大電流在50mA左右，TL431為100mA，所以我們取流過R6的最大電流為50mA，R6>（15-2.5-1.3)/50=226歐姆。要同時滿足這兩個條件：226

而Ice是受二極體電流If控制的，我們通過PC817的Vce與If的關係曲線，可以正確確定PC817。當PC817二極體正向電流If在3mA左右時，三極體的集射電流Ice在4mA左右變化，而且集射電壓Vce在很寬 的範圍內線性變化。符合控制要求。因此可以確定選PC817二極體正向電流If為3mA。再看TL431的要求。從TL431的技術參數知，Vka在2.5V－37V變化時，Ika可以在從1mA到100mA以內很大範圍裡變化，一般選20mA即可，既可以穩定工作，又能提供一部分死負載。因此只選3-5mA左右就可以了。確定了上面幾個關係後，那幾個電阻的值就好確定了。

根據TL431的性能，R11、R13、Vo、Vr有固定的關係：Vo=(1+ R11/R13) Vr 式中，Vo為輸出電壓，Vr為參考電壓，Vr＝2.50V，先取R13值，例如R13＝10k，根據Vo的值就可以算出R11了。 再來確定R6和R17。由前所述，PC817的If取3mA，先取R6的值為470Ω，則其上的壓降為Vr6＝If* R6,由PC817技術手冊知，其二極體的正向壓降Vf典型值為1.2V，則可以確定R17上的壓降Vr17＝Vr６+Vf，又知流過R17的電流Ir17＝Ika－If，因此R17的值可以計算出來：     R17= Vr17/ Ir17= (Vr6+Vf)/( Ika－If)根據以上計算可以知道TL431的陰極電壓值Vka，Vka＝Vo』－Vr17，式中Vo』取值比Vo大0.1－0.2V即可。舉一個例子，Vo＝15V,取R13=10k，R11＝（Vo/Vr-1）R13=(12/2.5-1)*10=50K;取R6＝470Ω，If＝3mA，Vr6＝If* R6＝0.003*470＝1.41V；Vr17＝Vr６+Vf＝1.41+1.2＝2.61V; 取Ika =20mA，Ir17＝Ika－If ＝20－3＝17，R17= Vr17/ Ir17=2.61/17=153Ω; TL431的陰極電壓值Vka，Vka＝Vo』－Vr17=15.2-2.61=12.59V 結果：R6＝470Ω、R17＝150Ω、R1３＝10KΩ、R1１＝50K。

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