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原创
阿龙
硬件攻城狮
2022-06-28 14:00
发表于广东
收录于合集
应用场景： 反激电源输出，小编主要应用在了反激的电源电路中，从反激电源的输出反馈到PWM控制芯片的反馈引脚FB。 目的： 为了稳定输出电压，使得后级有稳定的激励源。 那么小编先给大家分开讲一下TL431和光耦的基本原理，这两个器件其实在我们实际工作中已经是很常见了。 光耦： 光耦的内部大致就是一个发光二极管（不可见光/红外光）和一个三极管组成。输入级为发光二极管，输出级为三极管。 我们大家单独用光耦的作用肯定有很多了：比如电平转换，隔离，目前小编用到的主要是这两个。 电平转换：比如我想要从一个3.3V的输入，但是输出想要一个12V的，那么可以使用光耦，其实能实现电平转换，还因为它有电气隔离的作用。 隔离：电气隔离，或者说地隔离。比如我们的数字地和模拟地需要隔离，功率地和系统地要隔离，或者有些敏感电路要和其他电路隔离。 接下来我附一张以前设计的光耦的电路图1，讲一下基本原理
图1：光耦电路 U10光耦，这个电路的作用就是起到电平转换作用，这个里面其实我的输出和输入地是没有做隔离的。 当输入的2脚为高电平，U10不工作，那么输出就是EVCC。 当输入的2脚为低电平，U10工作，那么输出就是0.7V（二极管的钳位）。 大家不必纠结我设计的这个电路，比如上拉电阻，二极管等。这个和我的具体电路需求有关系，大家重点放在基本工作原理，这样自己设计出来的光耦外围电路肯定也是五花八门的。 这里面大家需要注意到两点： 输入级的发光二极管的限流电阻，这个主要靠二极管的Vf去计算限流电阻。接下来我给大家举个例子如图2。
图2：光耦手册的Vf与If 我传输的是通讯信号，属于小电流，我们按照Vf=1.2V,If手册给的是1.2V@If=20mA，我们没必要去那么大的驱动电流，我们只是传输信号。一般取2-10mA就可以了，电流过大对于LED的寿命有影响。我取的是2mA,当然你也可以取到10mA,这个是没问题的。因为手册中的曲线图3可以看出1.1V@2mA，在25℃。
图3：光耦手册Vf与If曲线关系 R54=VDD-Vf/2mA=3.3V-1.1V/2mA=1.1K,我取值为1K。 以上就算是计算除了限流电阻，根据电流以及二极管的管压降去计算限流电阻。 一般可以用电源去驱动二极管或者使用GPIO去驱动，电源驱动肯定没问题，但是如果用GPIO去驱动，需要确定GPIO的驱动能力够不够你想要的电流大小。一般GPIO的驱动能力能达到5mA，无疑是增加了MCU的功耗，不建议直接使用GPIO驱动。 主要就是这个值，然后根据手册中给的CTR，我们可以计算出输出级的电流大小。 还有个参数就是手册中没有直接说明：传输速率如图4，这个参数对于低频的没有影响，或者不用考虑，但是对于高频的，如果光耦选型有问题，会出现丢脉冲的现象。
图4：光耦手册的Tf与Tr 上图中的Tr、Tf，就是上升时间和下降时间，那么我们怎么确定这个光耦逇最快传输速率呢？ 那就是1/Tr+Tf=1/0.2μs=5Mhz，如果我们传输的是5Mhz频率的脉冲，那么无疑肯定是有问题的，因为我们计算的时候并没有考虑信号的高电平时间，只考虑上升时间和下降时间，我们假定就是信号波形是一个三角波，没有高电平的持续时长。所以我们实际的传输频率一定要小于5Mhz。 以上即是光耦的基本应用知识以及基本计算或者选型。 TL431：电压基准芯片，说的通俗点，就是能输出一个稳定的电压，并且带负载能力一般不弱。 那么小编想问大家一个简单的问题，比如我们一个3.3V想输出一个2.5V的电源电压，为什么不用3.3V用两个分压电阻去分压产生一个2.5V的呢？ 原因：如果你的后级基本没什么电流要求，负载很小，不会波动，那么分压勉强可以。但是如果你的后级电路在工作的时候，需要的电流比较大，并且会波动，那么如果你用分压电阻，你觉得你的2.5V电压还会稳吗？肯定会跳变的，那么后级电路就不能正常工作，恰好，TL431就有这个功能，他能通过流过自身的电流去调整电压，保证输出电压恒定。归纳一下就是：带负载能力+稳定性。 先给大家讲一下TL431内部的原理和基本的应用电路，这样才能更好的理解它。请看图5+图6
图5:TL431内部硬件原理
图6：TL431的基本应用电路 以上就是TL431内部硬件图和基本应用电路图。 主要由一个运放和一个三极管组成。运放是一个比较器的作用。VREF是固定的2.5V，如果REF②引脚电压比2.5V大，运放输出饱和电压高电平，那么NPN三极管就会导通，输出三极管集电极此时输出①就会被拉低，请看应用电路图，也即是说此时电源TL431输出被拉低了。如果REF②引脚电压比2.5V小，运放输出低电平，那么NPN三极管就截止，输出三极管集电极此时输出就会是R1+R2上的分压。 当然小编这里只是将的两种极端情况，TL431工作与不工作两种状态（三极管截止与饱和）。 事实上TL431是根据负反馈去达到稳压的。根据三极管工作在放大区间（线性区间）去调节输出电流。 Vo增大→VREF增大→Ib增大→Ic=βIb 增大→i3（R3上的电流）增大→U3(R3电阻上的压降)增大→Vo减小 其实输出电流大小主要依赖于三极管的IC的电流大小，但是需要注意的是，三极管的Ic增大，R3限流电阻必须选择功率合适的封装和阻值大小。 关于上图中的TL431的输出计算公式：Vout=Vref(1+R1/R2) Vout=（Vref/R2）*（R1+R2）这个公式大家想必都很容易理解去推导。 以上我就把TL431基本工作讲清楚了。 接下来我们讲光耦+TL431组合反馈。如图7。
图7：反激电源电路的反馈电路 这幅图我只把能用到的电路加进来了。 那就给大家讲一下这个反激电路的反馈原理。 首先大家需要明白：加了反馈电路的作用是稳定反激的电源输出,那么它是怎样通过反馈去稳定输出的呢？接下来且听小编一述。 上述的整流二极管Dc即是反激电源的输出。 我们以输出Vout=5V为例，如果我们不加反馈电路，我们后级的电流源头都从这里来，比如MCU的3.3V，外设的5V，DDR、EMMC的电源都会从这里通过BUCK或者其他方式进行供电。如果有个负载是个超级大的电容或者工作的时候电流跳变比较大，那么就会导致我们的5V电压被拉低或者被拉高。这样极有可能会导致我们的后级电路工作异常，比如有些芯片耐压或者输入电压最高5.5V，那么如果5V被拉高6V甚至更高，那么芯片基本会被干掉。因此我们需要加这个反馈给PWM控制芯片（U1），去动态调节PWM，进而调整输出的Vout。接下来给大家讲一下具体怎样的一个调节原理。 其中：
比如我的输出5V 异常，输出为了6V，那么TL431的VREF引脚是不是就会突然抬高，那么TL431内部比较器会与我们的VREF进行比较，此时TL431内部的运放输出高电平，那么TL431内部的三极管会导通，并且电流比较大，如果Vout与2.5V差的越大，输出电流越大，那么三极管的IC就愈大，此时在限流电阻R1上的压降就加大，导致TL431的阴极输出电压减小，大家从上图7容易看出，TL431输出电压减小，且R1的电压增大，那么光耦输入端的发光二极管两端电压会增大，根据我上图中的曲线，Vf越大，If越大（前提是在LED灯的耐压范围内），那么发光二极管的If越大，就会导致光耦输出三极管导通，且光耦的输出电流也会增大，Ic=βId，或者说Ic=CTR*Id。此时Ic增大，那么说明流过R4的电流增大，那么R4上的电压会增大，即送给PWM控制芯片的FB引脚电压增大，FB引脚内部再会继续与内部的参考电压进行比较，进而调节PWM输出，会降低PWM占空比，让Vout减小，以此动态循环，会让Vout保持稳定输出，即不受负载影响。 那以上述电路图，给大家讲一下这个变化过程。 Vout增大→V(R3)增大→TL431阴极输出电压减小→Id增大→Ic增大→V（R4）增大→控制芯片PWM输出减小→Vout减小 我们在使用此电路中，还会一般给光耦输入端加入RC补偿，如图8中蓝色圈出的部分。 小编下期给大家着重讲一下下图的电路中给的RC取值，还是比较复杂的，需要用到自动控制原理中的零极点知识。
图8：完整的反击电源电路（增加RC补偿）
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