开关电源反馈环路重要参数设计,PC817和TL431实例计算和取值详解

author:小高霸气
data:2021.04.16

下面介绍开关电源重要的反馈电路PC817和TL431设计和应用。
在开关电源当中,对稳压反馈电路的设计通常会使用TL431和PC817来配合使用。在TOP 及3842等单端反激电路中的反馈电路很多都采用TL431和PC817作为参考、隔离、取样。现以典型应用电路来说明开关电源反馈电路TL431和PC817取值、设计、计算。使开关电源反馈电路能稳定可靠地工作。
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开关电源电路简图
一:占空比与控制电流
该电路利用输出电压与TL431构成的基准电压比较,通过光电耦合器PC817二极管-三极管的电流变化去控制TOP管的C极,从而改变PWM宽度,达到稳定输出电压的目的。因为被控对象是TOP管,因此首先要搞清TOP管的控制特性。从TOPSwicth的技术手册可知流入控制脚C的电流Ic与占空比D成反比关系,如下图所示。
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TOPSwicth占空比与控制电流关系图
二:光电耦合器集射电压与正向电流
PC817光电耦合器广泛用在开关电源、LED电源、LED驱动器、影印机、自动售票、家用电器、测量仪器等电路之间的信号传输,使之前端与负载完全隔离,目的在于增加安全性,减小电路干扰,简化电路设计。
Ic的电流应在2-6mA之间,PWM会线性变化,因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化。而Ice是受二极管电流If控制的,我们通过PC817的Vce与If的关系曲线(如图3所示)可以正确确定PC817二极管正向电流If。从图3可以看出,当PC817二极管正向电流If在3mA左右时,三极管的集射电流Ice在4mA左右变化,而且集射电压Vce在很宽的范围内线性变化。符合TOP管的控制要求。
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PC817:Vce与If关系曲线
PC817二极管正向电流If可以确定为3mA,If=3mA。
三:光电耦合器与TL431取值
TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中用它代替稳压二极管,例如,开关电源、LED电源、LED驱动器、可调压电源、数字电压表、运放电路等。
TL431电压基准器,基准电压2.5V,通过取样电阻取样后与基准电压进行比较,比较的结果通过PC817进行工作,控制开关管进行开关动作。
从TL431的技术参数查到:
Vka在2.5V-37V变化时,Ika可以在从1mA到100mA以内很大范围里变化,一般选20mA即可,既可以稳定工作,又能提供一部分死负载。不过对于TOP器件因为死负载很小,只选3-5mA左右就可以了。
确定了上面几个关系后,R4、R5、R7、R8这4个关键电阻值就可以计算出来了。
根据TL431的性能,R7、R8、Vo、Vr有固定的关系:
Vo=(1+ R7/R8) Vr
式中,Vo为输出电压,Vr为参考电压,Vr=2.50V。
四:实例计算与取值
R8电阻取值参考:
TL431参考输入端电流一般为2uA左右,为了避免参考输入端电流影响分压比和避免噪音的影响,一般取流过电阻R6的电流为参考输入端的100倍以上,以就是200uA。
所以R8电阻要小于2.5V/200uA=12.5K。
如果待机功耗有要求,建议在满足小于12.5K的情况下尽量取大值。
在这里R8取值为10K。
根据Vo的值就可以算出R7了。
例如:输出电压Vo=10V
1:先计算R7电阻值:
R7=(Vo/Vr-1)R8
R7=(10/2.5-1)10
R7=30K
2:再计算R4和R5电阻值:
R4电阻取值参考:
TL431要求有1mA的工作电流,也就是R4的电流接近于零时,也要保证TL431有1mA。
所以R5≤1.2V/1mA=1.2K即可。
R4的取值要保证TOP控制端取得所需要的电流,假设用PC817A,其CTR=0.8-1.6,取低限0.8,要求流过光耦二极管的最大电流为 6/0.8=7.5mA。
所以R4的值≤(10-2.5-1.2)/7.5=840Ω,光耦二极管能承受的最大电流在50mA左右,TL431为100mA,所以我们取流过R4的电流为21mA。
R4=(10-2.5-1.2)/21=300Ω;
则R4的压降为VR4=If
R1。
VR4=If* R4=0.003*300=0.9V;
查PC817技术手册,其光耦二极管的正向压降Vf典型值为1.2V,则可以确定R5上的压降VR5=VR4+Vf。
VR5=VR4+Vf=0.9+1.2=2.1V;
又知流过R5的电流IR5=Ika-If,因此R5的值可以计算出来:
R5= Vr5/ Ir5= (Vr4+Vf)/( Ika-If);
根据以上计算可以知道TL431的阴极电压值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的阴极电压值Vka,Vka=Vo’-VR3=10.2-2.61=7.59V;
结果:R4=300Ω、R5=120Ω、R7=30KΩ、R8=10K。
3:输出电压计算
Vo=(1+ R7/R8) Vr
Vo=(1+30/10)2.5
Vo=10V
五:R6、C7元件作用和取值
为了提升低频上的增益以及压制低频波纹,就需要R6、C7制造一个原点上的极点。也就是静态误差,R4C4形成一个零点,来提升相位,要放在带宽频率的前面来增加相位裕度,具体位置要看其余功率部分在设计带宽处的相位是多少,R6、C7的频率越低,其提升的相位越高,当然最大只有90度,但其频率很低时低频增益也会减低,一般放在带宽的1/5处,约提升相位78度。
一般R6电阻参考取值为:10K,C7电容参考取值:104(0.1uf)。

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