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PC817+TL431的组合设计

  在隔离型开关电源中经常会采用光耦PC817匹配运放TL431来实现隔离反馈功能,其中TL431是主要的环路补偿器件(实现PID或者Type类补偿器)而PC817则主要用来实现隔离功能。但实际中如果光耦PC817的周边电阻匹配不恰当也会导致某些条件下环路不能正常工作,给调试工作带来不必要的麻烦。下面就以图一电路为例简单介绍PC817周边电阻的设计方法。

             1 PC817+TL431电路

首先了解一下PC817TL431的特性:

一、光耦PC817跟三极管有些类似,三极管中集电极电流和基极电流关系约为Ic=β*Ib,在PC817中集电极和“基极”的电流关系约为IL=Ctr*If,其中Ctr(Current transfer ratio)等同于三极管中的β。不同之处这个Ctr是个随电流If变化的曲线,PC817x中有多种型号对应着不同的Ctr,常用的是PC817A,见下表。

                                  1 PC817x对应的Ctr

PC817ACtr曲线如下:

                         2数据手册对比Ctr拟合曲线

为方便后续计算用两段拟合曲线拼出Ctr曲线,这里也可以采用多段线性拼接的方式。

二、TL431正常工作时要满足两个条件,

1、TL431的集电极电压要大于2.5V

2、TL431的集电极电流要大于0.6mA

这两个条件间接的影响了PC817的参数设计。

跟三极管类似,PC817的参数设计就是对静态工作点的设置,其周边共有三个电阻所以参数设计也分为三步。

第一步,电阻RL的参数设计

参考图1PC817输出电压FB满足公式:

FB=Vcc-IL*RL                   公式(1

首先根据电源控制IC给定的FB脚电压范围设定FBmaxFBmin其次设置一个最大Ifmax利用公式可以求出最小RL值,见下图。

                              3-1电阻RL计算方法

反过来如果先给定最小电阻RL再求最大电流If也是可行的,这里电阻RL的选取参考功耗和环路速度这两方面,RL取值越大则电路功耗越低但环路响应也越慢,因为光耦引入了一个极点见下图:

                                      3-2电阻RL对极点的影响

如图3-2电阻RL越小极点频率越高,如果取RL=1kΩ则对10kHz以内的影响几乎可以忽略。

第二步,电阻Rf的参数设计

因匹配的TL431有最小工作电流限制,这里的电阻Rf就依此来设计。参考图1PC817的输入电流If满足公式:

VF/Rf+Ifmin>Ikamin        公式(2

设发光二极管的压降VF=1.2VTL431的最小工作电流Ikamin=1mA(综合温度、参数漂移等影响留一定余量),利用公式(1)计算出的最小工作电流Ifmin就可以求出最大Rf阻值,见下图。

                                        4-1电阻Rf计算方法

某些情况下电阻Rf可以省掉进一步降低功耗,举个例子假设控制ICFB范围为0~3V,重新计算的结果为:

                                                  4-2不需要电阻Rf的情况

4-2假设的例子中发光二极管最小工作电流Ifmin=1.9mA大于TL431的最小工作电流Ikamin=1mA,所以这里就不再需要电阻Rf了。

第三步,电阻RD的参数设计

因匹配的TL431有最小工作电压限制,这里的电阻RD就依此来设计。参考图1TL431的输出电压满足公式:

Vka=Vo-Ika*RD-VF                        公式(3

公式中的IkaTL431的集电极电流等发光二极管电流If与流经电阻Rf的电流之和。

                                           5电阻RD计算方法

按照上述三步设计的参数已经可以让光耦PC817工作在一个合适的静态工作点上,下面再进行反向验证,可以代入之前计算的电阻值也可以代入自定义电阻值,根据之前计算的极值在TL431集电极处注入一交流电压信号就可以得出各工况下的电压、电流及功耗波形。

首先电压波形验证,

                                                           6电压验证

6中注入电压信号最低值2.5V、最高值8.97V,输出FB端电压最低0.2V、最高4.8V跟设定值一致。

其次电流波形验证

                                                       7电流验证

7TL431最小电流1mAPC817最大电流4mA跟设定值一致。

最后功耗验证

                                                             8功耗验证

8TL431PC817的功耗都低于20mW远低于数据手册上提供的70mW+150mWPC817),最后得出结论所匹配参数满足设计要求。

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zhou2013
LV.6
2
2020-09-23 11:12
可以,谢谢
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2020-09-24 09:29
學習啦!!
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xzhheng
LV.3
4
2020-09-24 22:23

多点这种基础的详解,让大家更好掌握

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2020-09-25 12:40
谢谢楼主,学习了
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lixintian
LV.1
6
2021-06-15 23:41

请问楼主,PC817A的CTR的拟合曲线是怎样得到的

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2021-06-16 09:42
@lixintian
请问楼主,PC817A的CTR的拟合曲线是怎样得到的

用曲线拟合软件(CurveExpert)或者Mathcad、Matlab等软件

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yhtuse
LV.1
8
2021-07-21 16:41

很不错的知识,谢谢分享,

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2021-07-27 08:54

这几个参数容易懂,TL431环路补偿那两个RC不知道怎么设计,基本都是10K/0.1U好像对电源也没太大影响,大师哪能不能从实际调试出发说下这两个参数怎么确定。

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2021-07-27 11:28
@欣扬科技
这几个参数容易懂,TL431环路补偿那两个RC不知道怎么设计,基本都是10K/0.1U好像对电源也没太大影响,大师哪能不能从实际调试出发说下这两个参数怎么确定。

比如上图,R2/R1越大动态特性越好(穿越频率越高),太过了容易震荡,一般取值范围0.1~10。

C2*R2乘积结果越小动态特性越好(相位余量小),太过了容易震荡,一般fz=1/(2*pi*R2*C2)取值范围100~10kHz。

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2021-07-27 12:53
@boy59
[图片]比如上图,R2/R1越大动态特性越好(穿越频率越高),太过了容易震荡,一般取值范围0.1~10。C2*R2乘积结果越小动态特性越好(相位余量小),太过了容易震荡,一般fz=1/(2*pi*R2*C2)取值范围100~10kHz。

电流模式反激为例,其功率级bode图有充足的相位余量所以补偿参数比较容易匹配(感觉影响不大)

上图中假设R1=4.7k,首先取R2=10k将穿越频率设置在2kHz附近,接着取电容C2=10nF将穿越频率处的相位余量调至70度左右。蓝色虚线为补偿后的结果。

隔离型电源一般都采用PC817光耦做反馈,由于光耦有个10kHz左右的极点所以穿越频率都设置在几kHz以下。

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2021-07-27 13:01
@boy59
[图片]电流模式反激为例,其功率级bode图有充足的相位余量所以补偿参数比较容易匹配(感觉影响不大)上图中假设R1=4.7k,首先取R2=10k将穿越频率设置在2kHz附近,接着取电容C2=10nF将穿越频率处的相位余量调至70度左右。蓝色虚线为补偿后的结果。隔离型电源一般都采用PC817光耦做反馈,由于光耦有个10kHz左右的极点所以穿越频率都设置在几kHz以下。

如果没有条件获得功率级bode图,可以通过上电或负载突变观察输出波形来判断。

如果输出有震荡波,震荡频率既为穿越频率,电阻R2可由此设定。

如果输出有多次震荡(欠阻尼或自激震荡),电容C2取值小了(假设R2已定)。

如果输出达到稳态过缓(过阻尼),电容C2取值大了。

如果输出只有一个小凸起然后达到稳态,电容C2比较合适(此时相位余量60度左右)。

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2021-07-28 15:55
@boy59
[图片]如果没有条件获得功率级bode图,可以通过上电或负载突变观察输出波形来判断。如果输出有震荡波,震荡频率既为穿越频率,电阻R2可由此设定。如果输出有多次震荡(欠阻尼或自激震荡),电容C2取值小了(假设R2已定)。如果输出达到稳态过缓(过阻尼),电容C2取值大了。如果输出只有一个小凸起然后达到稳态,电容C2比较合适(此时相位余量60度左右)。

非常感谢!估计九成搞电源的没有条件获得功率级bode图,这个就是我们需要的经验;大师点拨下胜过自己摸索多年

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377039027q
LV.1
14
2021-08-01 10:52

请问下,你那个IFMAX为什么设为4mA?大点或小点不行吗?

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2021-08-02 08:48
@377039027q
请问下,你那个IFMAX为什么设为4mA?大点或小点不行吗?

大一点小一点都可以。

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RIO_CHEN
LV.1
16
2021-09-01 00:05

学习了,谢谢!

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2021-09-01 11:50
@boy59
[图片]比如上图,R2/R1越大动态特性越好(穿越频率越高),太过了容易震荡,一般取值范围0.1~10。C2*R2乘积结果越小动态特性越好(相位余量小),太过了容易震荡,一般fz=1/(2*pi*R2*C2)取值范围100~10kHz。

做个记号,很有用的技术资料。

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2021-09-03 14:32
@boy59
[图片]如果没有条件获得功率级bode图,可以通过上电或负载突变观察输出波形来判断。如果输出有震荡波,震荡频率既为穿越频率,电阻R2可由此设定。如果输出有多次震荡(欠阻尼或自激震荡),电容C2取值小了(假设R2已定)。如果输出达到稳态过缓(过阻尼),电容C2取值大了。如果输出只有一个小凸起然后达到稳态,电容C2比较合适(此时相位余量60度左右)。

讲的很详细

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wei123456
LV.5
19
2021-11-03 14:38

楼主你好,请教一下,采用718C和CJ431的反馈组合,在电源裸板时测试正常,当电源灌胶后,输出电压降低10%,是什么原因?

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电路啊
LV.4
20
2021-11-10 22:16

学习了,谢谢楼主

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2021-11-18 15:52

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2021-12-06 15:50
@xzhheng
多点这种基础的详解,让大家更好掌握[图片]

是的。那样就更好了

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tarrien
LV.2
23
2021-12-10 22:55

谢谢楼主,赞一个!

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lixintian
LV.1
24
2022-08-02 20:44
@boy59
用曲线拟合软件(CurveExpert)或者Mathcad、Matlab等软件

非常感谢

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2022-11-23 20:36

经典的隔离反馈设计,应用的太多了

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52491
LV.1
26
2022-12-02 21:36

TL431简直就是个万能器件,很多地方很多种不同的用法

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2023-05-10 22:58

看了一晚上没看懂,有人看懂了么

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dy-CbEQgmXD
LV.1
28
08-24 13:09
@boy59
[图片]比如上图,R2/R1越大动态特性越好(穿越频率越高),太过了容易震荡,一般取值范围0.1~10。C2*R2乘积结果越小动态特性越好(相位余量小),太过了容易震荡,一般fz=1/(2*pi*R2*C2)取值范围100~10kHz。

左边这个是什么电路啊,一时间没看懂,R1是上面的Rf吗

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