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光電耦合器在數(shù)字開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2011-12-19

中心議題:

  • 光耦合器的性能特點(diǎn)
  • 線性光耦合器的產(chǎn)品及選取原則
  • 開(kāi)關(guān)電源中光電耦合器電路的設(shè)計(jì)


隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)和綠色電源的飛速發(fā)展,APFC技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn),電子式開(kāi)關(guān)電源技術(shù)已經(jīng)成熟,而且有相當(dāng)多的控制方式。目前人們正在進(jìn)行數(shù)字式開(kāi)關(guān)電源的研究與開(kāi)發(fā),已經(jīng)有數(shù)字式帶功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品上市。對(duì)于數(shù)字式開(kāi)關(guān)電源,隔離技術(shù)和抗干擾技術(shù)是至關(guān)重要的,隨著電子元器件的迅速發(fā)展,光電耦合器的線性度越來(lái)越高,光電耦合器是目前在單片機(jī)和開(kāi)關(guān)電源中用得最多隔離抗干擾器件。

光耦合器(optical coupler,英文縮寫(xiě)為OC)亦稱光電隔離器或光電耦合器,簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)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(dǎo)體管)封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線,受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流,從輸出端流出,從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器,由于它具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn),抗干擾能力強(qiáng),輸出和輸入之間絕緣,單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用。通常的光電耦合器由于它的非線性,因此在模擬電路中的應(yīng)用只限于對(duì)較高頻率的小信號(hào)的隔離傳送。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字(開(kāi)關(guān))信號(hào),不適合傳輸模擬信號(hào)。近年來(lái)問(wèn)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(hào),使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。

光耦合器的性能特點(diǎn)

光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是單向傳輸信號(hào),輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,抗干擾能力強(qiáng),使用壽命長(zhǎng),傳輸效率高。它廣泛用于電平轉(zhuǎn)換、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、開(kāi)關(guān)電路、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小,因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小,它所能提供的電流并不大,不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光;由于光電耦合器的外殼是密封的,它不受外部光的影響;光電耦合器的隔離電阻很大(約1012Ω)、隔離電容很?。s幾個(gè)pF)所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。線性方式工作的光電耦合器是在光電耦合器的輸入端加控制電壓,在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)的電路的電壓。線性光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成,當(dāng)發(fā)光二極管接通而發(fā)光,光敏三級(jí)管導(dǎo)通,光電耦合器是電流驅(qū)動(dòng)型,需要足夠大的電流才能使發(fā)光二極管導(dǎo)通,如果輸入信號(hào)太小,發(fā)光二極管不會(huì)導(dǎo)通,其輸出信號(hào)將失真。在開(kāi)關(guān)電源,尤其是數(shù)字開(kāi)關(guān)電源中,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路,通過(guò)調(diào)節(jié)控制端電流來(lái)改變占空比,達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

光耦合器的技術(shù)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(jí)與輸出級(jí)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(hào)時(shí)還需考慮上升時(shí)間、下降時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)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(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí),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(dá)林頓型光耦合器(如4N30)可達(dá)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1中的虛線和實(shí)線所示。

由圖1可見(jiàn),普通光耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性,在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重,因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。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(hào)時(shí),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(hào),能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。

使用光電耦合器主要是為了提供輸入電路和輸出電路間的隔離,在設(shè)計(jì)電路時(shí),必須遵循下列原則:所選用的光電耦合器件必須符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際的有關(guān)隔離擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn);由英國(guó)埃索柯姆(Isocom)公司、美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器,目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性,其線性度差,適宜傳輸數(shù)字信號(hào)(高、低電平),可以用于單片機(jī)的輸出隔離;所選用的光耦器件必須具有較高的耦合系數(shù)。
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線性光耦合器的產(chǎn)品及選取原則

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

在開(kāi)關(guān)電源的隔離中,以及設(shè)計(jì)光耦反饋式開(kāi)關(guān)電源時(shí)必須正確選擇線性光耦合器的型號(hào)及參數(shù), 除了必須遵循普通光耦的選取原則外,還必須遵循下列原則:

1、光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%~200%。這是因?yàn)楫?dāng)CTR<50%時(shí),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(kāi)關(guān)電源IC的占空比,這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR>200%,在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),有可能將單片開(kāi)關(guān)電源誤觸發(fā),影響正常輸出。

2、若用放大器電路去驅(qū)動(dòng)光電耦合器,必須精心設(shè)計(jì),保證它能夠補(bǔ)償耦合器的溫度不穩(wěn)定性和漂移。

3、推薦采用線性光耦合器,其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

上述使用的光電耦合器時(shí)工作在線性方式下,在光電耦合器的輸入端加控制電壓,在輸出端會(huì)成比例地產(chǎn)生一個(gè)用于進(jìn)一步控制下一級(jí)電路的電壓,是單片機(jī)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)控制,對(duì)電源輸出起到穩(wěn)壓的作用。

開(kāi)關(guān)電源中光電耦合器電路的設(shè)計(jì)

在圖2的開(kāi)關(guān)電源中我們采用的電壓環(huán)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定輸出,選用NEC公司的PS2501光電耦合器作為輸入采樣、反饋信號(hào)、輸出驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)之間隔離器件,一方面光電耦合器可以起到隔離兩個(gè)系統(tǒng)地線的作用,使兩個(gè)系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立,消除地電位不同所產(chǎn)生的影響。另一方面,光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件,可以形成電流環(huán)路的傳送形式,電流環(huán)路是低阻抗電路,對(duì)噪音的敏感度低,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力,起到了電磁兼容和隔離抗干擾的作用,不會(huì)因?yàn)殡娐分械母哳l電流的電磁干擾對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生干擾,同時(shí)消除了電磁干擾而引起開(kāi)關(guān)管誤觸發(fā)造成的損壞,而且線性度也比較好。所以在圖2中,單片機(jī)與模擬電路分別使用相互獨(dú)立的電源,COM1與COM2是兩個(gè)不同的電源地,以消除模擬電路對(duì)單片機(jī)的干擾。

TL431是一個(gè)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器電路,它可以作為低溫度系數(shù)的可編程參考放大器使用,允許灌入電流大100mA。在TL431內(nèi)部是一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓,因而它的參考端輸入電壓可由直流輸出電壓的分壓來(lái)提供,可使它呈現(xiàn)優(yōu)良的工作狀態(tài)。它具有很低的輸出噪聲和僅為50ppm/C的溫度系數(shù)。用來(lái)作參考基準(zhǔn)電源十分理想。在圖2中電阻R11和電容C6組成的阻容網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用電路中是必不可少的,它主要用于品率補(bǔ)償。

為了徹底阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng),不僅信號(hào)通路要隔離,而且輸入或輸出電路與系統(tǒng)的電源也要隔離,即這些電路分別使用相互獨(dú)立的隔離電源。對(duì)于共模干擾,采用隔離技術(shù),即利用變壓器或線性光電耦合器,將輸入地與輸出地?cái)嚅_(kāi),使干擾沒(méi)有回路而被抑制。在開(kāi)關(guān)電源中,光電耦合器是一個(gè)是非重要的外圍器件,設(shè)計(jì)者可以充分的利用它的輸入輸出隔離作用對(duì)單片機(jī)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì),并對(duì)變換器進(jìn)行閉環(huán)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

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