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采用TL431及光耦合器反馈情况下的增益考虑

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:639

设计反馈回路要求进行认真的考虑及分析。我们总是容易忽视那些不需要的“隐性”反馈路径,这对电路设计可能会造成损害。本文将讨论一种最常见的反馈电路、设计人员可能面临的问题,并将重点讨论问题的解决方案。

tl431/光耦合器反馈电路
tl431加光耦合器配置是许多电源转换器设计人员所喜欢的组合。但是,如果设计不仔细,考虑不周到,就会出现设计问题。本文将讨论许多经验欠缺的设计人员都很容易误入的陷阱,甚至某些经验丰富的设计人员都难以幸免。
图1给出了一个典型的电路。r1和r2设置分压器,这样在所需的输出电压上,r1与r2的结电压等于tl431的内部参考电压。电阻r3以及电容c1和c2在tl431周围提供了所需的反馈回路补偿,可稳定控制回路。确定其他部分的回路增益后,我们将计算并添加上述组件。
图1中tl431周围的电路增益根据以下公式计算:

这里的zfb为

而w指每秒弧度。
要想知道光耦合器回路的增益,就需要了解光耦合器的电流传输率(ctr)。光耦合器的增益计算如下:(r6/r4)×ctr,即:
不过在图1中,tl431电路的总增益还包括另外的因素,因为实际传输函数取决于通过光耦合器led的电流。函数为:(vout-vcathode)/r4,这里的vout等于进入tl431的vsense电压。我们可以得到tl431和光耦合器的“总增益方程式”如下:

在本文中,+1这一项是“隐性的”反馈路径,只要zfb/r1这一项远远大于1,就可以对其忽略不计。
设计人员将电源转换器各增益因素相乘,就得到电源转换器的开路增益,它是频率的函数,不受反馈电路的影响。除tl431的增益之外,增益因素包括:变压器匝比、pwm工作输出滤波器组件效应及相应的负载效应,还包括光耦合器效应。

图1 典型的tl431反馈电路

转换器以专用开关频率工作。设计人员知道,总开环增益在低于频率六分之一的一点上肯定会穿越0db。大多数设计人员都会为组件和其他设计方案预设容限,大约在十分之一值时就会穿越0db。在本例中,我们假定这种情况成立,那么开关频率就固定为100khz。
由于我们已知所需交越频率上的控制至输出增益,因此我们只需让tl431周围的反馈回路及光耦合器的增益等于交越频率上相应的值即可。
设计人员现在可就反馈选择tl431周围的组件,因为所需频率已知,回路可以穿越0db,且相位裕度大于45度。
如果tl431电路要求的增益大于20db,那么我们可就r3、c1及c2选择正确的电阻和电容,并确定tl431的增益。因此,设计人员可忽略+1这一项,因为它与tl431的增益相比很小。
图2给出了转换器的控制至输出图,10khz下所需过零处的增益为0.1或-20db。在所需过零处,该图要求反馈回路增益为+20db或10。
现在,设计人员就能确定所需的回路响应,并相应地选择r1、r2、r3、r4、r6、c1和c2的值。
为了简化本例中的设计工作,我们使r4与r6相等,并选择ctr为100的光耦合器(也就是说,相对于通过led的每毫安电流,都有一毫安电流流出晶体管)。
所需增益系数在10khz上应约为10,因此r3应等于10 r1。tl431的增益在0db点后应“转降”,但设计人员还希望获得一些相位裕度。因此,我们在20khz上设置电容c2与r3相等。设计人员希望低频上的增益较高,但交越处的相位应大于45度,因此我们在1khz上设置c1等于r3。
图3显示了控制至输出的初始开环增益(实线)、补偿增益(点线)及总的系统增益(虚线)。在本例中,设计工作正常。总的回路在10khz时穿越0db,斜度为每10位下降20db,这实现了所需的相位裕度。
我们很难保证上述理想条件总能在实际情况下实现。我们不妨举例来说明,这时的控制至输出增益为+20db,即便我们遵循与上例中相同的规则,也忽略增益方程式中的+1项,结果仍然明显不同。
差异在于,tl431与光耦合器的增益根据配置决不会低于光耦合器自身的增益,这正是因为+1项的原因使然。tl431感应的信号也存在于给光耦合器提供电流的电压源上,因此形成了“隐性”回路。当tl431增益降至0db以下时,就成为非常稳定的电压。但是,电压源(图1中的+vout)上的任何信号都会通过光耦合器造成电流信号。


图2 转换器的控制至输出增益


图3 控制至输出、tl431与总系统回路增益显示为频率的函数

设计反馈回路要求进行认真的考虑及分析。我们总是容易忽视那些不需要的“隐性”反馈路径,这对电路设计可能会造成损害。本文将讨论一种最常见的反馈电路、设计人员可能面临的问题,并将重点讨论问题的解决方案。

tl431/光耦合器反馈电路
tl431加光耦合器配置是许多电源转换器设计人员所喜欢的组合。但是,如果设计不仔细,考虑不周到,就会出现设计问题。本文将讨论许多经验欠缺的设计人员都很容易误入的陷阱,甚至某些经验丰富的设计人员都难以幸免。
图1给出了一个典型的电路。r1和r2设置分压器,这样在所需的输出电压上,r1与r2的结电压等于tl431的内部参考电压。电阻r3以及电容c1和c2在tl431周围提供了所需的反馈回路补偿,可稳定控制回路。确定其他部分的回路增益后,我们将计算并添加上述组件。
图1中tl431周围的电路增益根据以下公式计算:

这里的zfb为

而w指每秒弧度。
要想知道光耦合器回路的增益,就需要了解光耦合器的电流传输率(ctr)。光耦合器的增益计算如下:(r6/r4)×ctr,即:
不过在图1中,tl431电路的总增益还包括另外的因素,因为实际传输函数取决于通过光耦合器led的电流。函数为:(vout-vcathode)/r4,这里的vout等于进入tl431的vsense电压。我们可以得到tl431和光耦合器的“总增益方程式”如下:

在本文中,+1这一项是“隐性的”反馈路径,只要zfb/r1这一项远远大于1,就可以对其忽略不计。
设计人员将电源转换器各增益因素相乘,就得到电源转换器的开路增益,它是频率的函数,不受反馈电路的影响。除tl431的增益之外,增益因素包括:变压器匝比、pwm工作输出滤波器组件效应及相应的负载效应,还包括光耦合器效应。

图1 典型的tl431反馈电路

转换器以专用开关频率工作。设计人员知道,总开环增益在低于频率六分之一的一点上肯定会穿越0db。大多数设计人员都会为组件和其他设计方案预设容限,大约在十分之一值时就会穿越0db。在本例中,我们假定这种情况成立,那么开关频率就固定为100khz。
由于我们已知所需交越频率上的控制至输出增益,因此我们只需让tl431周围的反馈回路及光耦合器的增益等于交越频率上相应的值即可。
设计人员现在可就反馈选择tl431周围的组件,因为所需频率已知,回路可以穿越0db,且相位裕度大于45度。
如果tl431电路要求的增益大于20db,那么我们可就r3、c1及c2选择正确的电阻和电容,并确定tl431的增益。因此,设计人员可忽略+1这一项,因为它与tl431的增益相比很小。
图2给出了转换器的控制至输出图,10khz下所需过零处的增益为0.1或-20db。在所需过零处,该图要求反馈回路增益为+20db或10。
现在,设计人员就能确定所需的回路响应,并相应地选择r1、r2、r3、r4、r6、c1和c2的值。
为了简化本例中的设计工作,我们使r4与r6相等,并选择ctr为100的光耦合器(也就是说,相对于通过led的每毫安电流,都有一毫安电流流出晶体管)。
所需增益系数在10khz上应约为10,因此r3应等于10 r1。tl431的增益在0db点后应“转降”,但设计人员还希望获得一些相位裕度。因此,我们在20khz上设置电容c2与r3相等。设计人员希望低频上的增益较高,但交越处的相位应大于45度,因此我们在1khz上设置c1等于r3。
图3显示了控制至输出的初始开环增益(实线)、补偿增益(点线)及总的系统增益(虚线)。在本例中,设计工作正常。总的回路在10khz时穿越0db,斜度为每10位下降20db,这实现了所需的相位裕度。
我们很难保证上述理想条件总能在实际情况下实现。我们不妨举例来说明,这时的控制至输出增益为+20db,即便我们遵循与上例中相同的规则,也忽略增益方程式中的+1项,结果仍然明显不同。
差异在于,tl431与光耦合器的增益根据配置决不会低于光耦合器自身的增益,这正是因为+1项的原因使然。tl431感应的信号也存在于给光耦合器提供电流的电压源上,因此形成了“隐性”回路。当tl431增益降至0db以下时,就成为非常稳定的电压。但是,电压源(图1中的+vout)上的任何信号都会通过光耦合器造成电流信号。


图2 转换器的控制至输出增益


图3 控制至输出、tl431与总系统回路增益显示为频率的函数

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