開關電源反饋環路重要參數設計,PC817和TL431實例計算和取值詳解

有熱愛電子電工和開關電源的朋友留言，希望介紹一下用TL431及光耦控制輸出電壓方面的文章。謝謝鼓勵！希望大家踴躍參與討論，共同學習與提高！

朋友留言

下面介紹開關電源重要的反饋電路PC817和TL431設計和應用。

在開關電源當中，對穩壓反饋電路的設計通常會使用TL431 和PC817來配合使用。在TOP 及3842等單端反激電路中的反饋電路很多都採用TL431和PC817作為參考、隔離、取樣。現以典型應用電路來說明開關電源反饋電路TL431和PC817取值、設計、計算。使開關電源反饋電路能穩定可靠地工作。

開關電源電路簡圖

一：佔空比與控制電流

該電路利用輸出電壓與TL431構成的基準電壓比較，通過光電耦合器PC817二極體－三極體的電流變化去控制TOP管的C極，從而改變PWM寬度，達到穩定輸出電壓的目的。因為被控對象是TOP管，因此首先要搞清TOP管的控制特性。從TOPSwicth的技術手冊可知流入控制腳C的電流Ic與佔空比D成反比關係，如下圖所示。

TOPSwicth佔空比與控制電流關係圖

二：光電耦合器集射電壓與正向電流

PC817光電耦合器廣泛用在開關電源、LED電源、LED驅動器、影印機、自動售票、家用電器、測量儀器等電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，目的在於增加安全性，減小電路幹擾，簡化電路設計。

Ic的電流應在2－6mA之間，PWM會線性變化，因此PC817三極體的電流Ice也應在這個範圍變化。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(如圖3所示)可以正確確定PC817二極體正向電流If。從圖3可以看出，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TOP管的控制要求。

PC817：Vce與If關係曲線

PC817二極體正向電流If可以確定為3mA，If=3mA。

三：光電耦合器與TL431取值

TL431是可控精密穩壓源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意的設置到從Vref（2.5V）到36V範圍內的任何值。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，在很多應用中用它代替穩壓二極體，例如，開關電源、LED電源、LED驅動器、可調壓電源、數字電壓表、運放電路等。

TL431電壓基準器，基準電壓2.5V，通過取樣電阻取樣後與基準電壓進行比較，比較的結果通過PC817進行工作，控制開關管進行開關動作。

從TL431的技術參數查到：

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。不過對於TOP器件因為死負載很小，只選3-5mA左右就可以了。

確定了上面幾個關係後，R4、R5、R7、R8這4個關鍵電阻值就可以計算出來了。

根據TL431的性能，R7、R8、Vo、Vr有固定的關係：

Vo=(1+ R7/R8) Vr

式中，Vo為輸出電壓，Vr為參考電壓，Vr＝2.50V。

四：實例計算與取值

R8電阻取值參考：

TL431參考輸入端電流一般為2uA左右，為了避免參考輸入端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R6的電流為參考輸入端的100倍以上，以就是200uA。

所以R8電阻要小於2.5V/200uA=12.5K。

如果待機功耗有要求，建議在滿足小於12.5K的情況下儘量取大值。

在這裡R8取值為10K。

根據Vo的值就可以算出R7了。

例如：輸出電壓Vo=10V

1：計算R7電阻值：

R7＝（Vo/Vr-1）R8

R7＝(10/2.5-1)*10

R7=30K

2：計算R4和R5電阻值：

R4電阻取值參考：

TL431要求有1mA的工作電流，也就是R4的電流接近於零時，也要保證TL431有1mA。

所以R5≤1.2V/1mA=1.2K即可。

R4的取值要保證TOP控制端取得所需要的電流，假設用PC817A，其CTR=0.8-1.6，取低限0.8，要求流過光耦二極體的最大電流為 6/0.8=7.5mA。

所以R4的值≤(10-2.5-1.2)/7.5=840Ω，光耦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R4的電流為21mA。

R4=(10-2.5-1.2)/21=300Ω;

則R4的壓降為VR4＝If* R1。

VR4＝If* R4＝0.003*300＝0.9V；

查PC817技術手冊，其光耦二極體的正向壓降Vf典型值為1.2V，則可以確定R5上的壓降VR5＝VR4+Vf。

VR5＝VR4+Vf＝0.9+1.2＝2.1V;

又知流過R5的電流IR5＝Ika－If，因此R5的值可以計算出來：

R5= Vr5/ Ir5= (Vr4+Vf)/( Ika－If);

根據以上計算可以知道TL431的陰極電壓值Vka，Vka＝Vo』－Vr3。

式中Vo』取值比Vo大0.1－0.2V即可。

取Ika =20mA。

IR5＝Ika－If＝20－3＝17;

R5= VR5/ IR5=2.1/17=123Ω≈120Ω

TL431的陰極電壓值Vka，Vka＝Vo』－VR3=10.2-2.61=7.59V;

結果：R4＝300Ω、R5＝120Ω、R7＝30KΩ、R8＝10K。

3：輸出電壓計算

Vo=(1+ R7/R8) Vr

Vo=（1+30/10）2.5

Vo=10V

五：R6、C7元件作用和取值

為了提升低頻上的增益以及壓制低頻波紋，就需要R6、C7製造一個原點上的極點。也就是靜態誤差，R4C4形成一個零點，來提升相位，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，R6、C7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處，約提升相位78度。

一般R6電阻參考取值為：10K，C7電容參考取值：104（0.1uf)。