線性光電耦合器在開關電源中的應用

　　光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現(xiàn)了“電—光—電”轉換。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開關）信號，不適合傳輸模擬信號。近年來問世的線性光耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號，使其應用領域大為拓寬。 
1 光耦合器的類型及性能特點

1.1 光耦合器的類型

 　光耦合器有雙列直插式、管式、光導纖維式等多種封裝形式，其種類達數(shù)十種。光耦合器的分類及內部電路如圖1所示。圖中是8種典型產品的型號：(a)通用型(無基極引線)；(b)通用型(有基極引線)；(c)達林頓型；(d)高速型；(e)光集成電路；(f)光纖型；(g)光敏晶閘管型；(h)光敏場效應管型。



1.2 光耦合器的性能特點

　　光耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。它廣泛用于電平轉換、信號隔離、級間隔離 、開關電路、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。

　　光耦合器的技術參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。

　　電流傳輸比是光耦合器的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。其公式為：


　　采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～300%（如4N35），而PC817則為80%～160%，達林頓型光耦合器（如4N30）可達100%～5000%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。線性光耦合器與普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲線，分別如圖2中的虛線和實線所示。


　　由圖2可見，普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比(ΔCTR＝ΔIC/ΔIF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關系。這是其重要特性。

2 線性光耦合器的產品分類及選取原則

2.1 線性光耦合器的產品分類

 線性光耦合器的典型產品及主要參數(shù)見表1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管。



2.2 線性光耦合器的選取原則

 在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數(shù)，選取原則如下：

 ①光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%～200%。這是因為當CTR＜50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF＞5.0mA)，才能正常控制單片開關電源IC的占空比，這會增大光耦的功耗。若CTR＞200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

 ②推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。

 ③由英國埃索柯姆(Isocom)公司、美國摩托羅拉公司生產的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，目前在國內應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開關特性，其線性度差，適宜傳輸數(shù)字信號(高、低電平)，因此不推薦用在開關電源中。
3 線性光耦合器應用舉例

　　多路輸出式電源變換器電路如圖3所示。其輸入電壓為36V到90V的準方波電壓，三路輸出分別為：UO1＝＋5V(2A)，UO2＝＋15V(0.17A)，UO3＝－15V(0.17A)?，F(xiàn)將UO1定為主輸出，其電壓調整率SV＝±0.4%；UO2和UO3為輔輸出，總電源效率可達75%～80%。電路中采用一片TOP104Y型三端單片開關電源集成電路。主輸出繞組電壓經過VD2、C2、L1和C3整流濾波后，得到＋5V電壓。VD2采用MBR735型35V／7.5A肖特基二極管。兩個輔輸出繞組及輸出電路完全呈對稱結構。因為±15V輸出電流較小，故整流管VD4和VD5均采用UF4002型100V／1A的超快恢復二極管。由線性光耦CNY17-2和可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431C構成光耦反饋式精密開關電源，可以對＋5V電壓進行精密調整。反饋繞組電壓通過VD3、C4整流濾波后，得到12V反饋電壓。由P6KE120型瞬態(tài)電壓抑制器和UF4002型超快恢復二極管構成的漏極鉗位保護電路，能吸收由高頻變壓器漏感形成的尖峰電壓，保護芯片內部的功率場效應管MOSFET不受損壞。


　　外部誤差放大器由TL431C組成。當+5V輸出電壓升高時，經R3、R4分壓后得到的取樣電壓，就與TL431C中的2.5V帶隙基準電壓進行比較，使其陰極電位降低，LED的工作電流IF增大，再通過線性光耦IC2（CNY17-2）使控制端電流IC增大，TOP104Y的輸出占空比減小，使UO1維持不變，達到穩(wěn)壓目的。+5V穩(wěn)壓值UO1則由TL431C、光耦中的LED正向壓降來設定。R1是LED的限流電阻。誤差放大器的頻率響應由C5、R2和C6來決定。C5的作用有三個：濾除控制端上的尖峰電壓；決定自動重啟動頻率；與R2一起對控制回路進行補償。




參考文獻

1 沙占友等．單片開關電源技術講座之一～五.電源技術應用，2000.8～12
2 沙占友．單片開關電源的最新進展.中國電源，2000.12