TL431與光耦合器是電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員常用的一種組合。但若不謹(jǐn)慎思考與設(shè)計(jì)，此組合會(huì)讓工程師感到十分棘手。本文將討論許多經(jīng)驗(yàn)不足甚至連部份有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員皆容易落入的窠臼。
圖1是典型電路。R1與R2組成的電阻分壓器在輸出電壓達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，會(huì)讓R1與R2的接點(diǎn)電壓剛好等于TL431的內(nèi)部參考電壓。電阻R3以及電容C1與C2提供TL431所需的回授回路補(bǔ)償以便穩(wěn)定控制回路?；芈吩鲆嬷禌Q定后，即可計(jì)算這些元件值并將它們加在一起。
圖1：典型的TL431回授電路。
圖1的TL431電路增益可由下列公式計(jì)算：
其中Zfb等于：
ω則代表角速度（radians/sec）。
光耦合器回路增益＝（R6/R4）×光耦合器電流轉(zhuǎn)換比（Current Transfer Ratio；CTR），設(shè)計(jì)人員必須知道光耦合器的電流轉(zhuǎn)換比，才能計(jì)算該增益。
但實(shí)際轉(zhuǎn)移函數(shù)是由光耦合器的LED電流決定，所以圖1的TL431電路總增益還包括另一因數(shù)。該函數(shù)是（Vout-Vcathode）／R4，其中Vout等于進(jìn)入TL431的Vsense電壓，這使得TL431與光耦合器的「總增益方程序」等于：
上式的+1項(xiàng)在本文里代表「隱藏」的回授路徑，只要Zfb/R1遠(yuǎn)大于1即可忽略。在后面的示波器圖片中，將進(jìn)一步解釋和顯示該項(xiàng)的影響，我們現(xiàn)在先假設(shè)這個(gè)公式是正確的。
設(shè)計(jì)人員只要將電源轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)增益元素相乘，就能得到不考慮回授電路影響下的轉(zhuǎn)換器開(kāi)回路增益。這些元素包括：變壓器圈數(shù)比；PWM主動(dòng)輸出濾波器元件效應(yīng)和TL431增益以外的相關(guān)負(fù)載效應(yīng)；以及光耦合器的影響。
轉(zhuǎn)換器會(huì)在特定的開(kāi)關(guān)頻率下操作。設(shè)計(jì)人員知道開(kāi)回路總增益須在低于該頻率6分之1的某個(gè)點(diǎn)跨過(guò)0dB，因此多數(shù)設(shè)計(jì)人員會(huì)留下適當(dāng)?shù)脑?，其它人則會(huì)將跨越點(diǎn)設(shè)計(jì)在大約該頻率10分之1的位置。在此例中，我們假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率固定為100kHz。
由于已知控制到輸出增益（control-to-output gain）在目標(biāo)跨越頻率點(diǎn)的增益值，接下來(lái)只要讓TL431回授回路和光耦合器的增益等于該增益值的倒數(shù)即可。
設(shè)計(jì)人員已知道要在什么樣的頻率下，才能讓TL431的回路在相位增益大于45度的位置跨越0dB，因此他們現(xiàn)在可以選擇該回路的零件。
如果TL431的電路增益必須超過(guò)20dB，那只要選擇正確的R3電阻以及C1和C2電容，就能決定TL431增益曲線。此時(shí)設(shè)計(jì)人員可將+1項(xiàng)忽略，因?yàn)樗h(yuǎn)小于TL431的增益。
圖2是轉(zhuǎn)換器的控制到輸出增益圖，它在10kHz目標(biāo)跨越點(diǎn)的增益為0.1或-20dB，這表示回授回路在零跨越點(diǎn)的增益必須等于+20dB或10倍。
圖2：轉(zhuǎn)換器的控制到輸出增益圖。
設(shè)計(jì)人員現(xiàn)能決定他們所想要的回路響應(yīng)，然后選擇適當(dāng)?shù)腞1﹐R2﹐R3﹐R4﹐R6﹐C1和C2。
為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)起見(jiàn)，此處讓R4等于R6，同時(shí)選擇電流轉(zhuǎn)換比等于100的光耦合器（亦即通過(guò)LED的每個(gè)毫安電流都會(huì)讓晶體管輸出1個(gè)毫安電流）。
為讓10kHz增益值等于10，R3必須等于10倍的R1。TL431增益曲線在0dB點(diǎn)后應(yīng)逐漸下滑，但由于設(shè)計(jì)人員仍需一定程度的相位增益，所以選擇C2時(shí)應(yīng)令其20kHz阻抗值等于R3。設(shè)計(jì)人員要求低頻部份的增益較高，但0dB跨越點(diǎn)的相位增益要大于45度，所以選擇1kHz阻抗等R3的C1值。
圖3：控制到輸出、TL431和總系統(tǒng)回路增益的頻率關(guān)系圖。
圖3顯示控制到輸出（實(shí)線）、補(bǔ)償增益（點(diǎn)線）和系統(tǒng)總增益（虛線）的最初開(kāi)回路增益圖。這份設(shè)計(jì)在此例中工作很理想：總回路增益會(huì)在10kHz處跨越0dB（在圖3中，垂直座標(biāo)值等于1之處），每10倍頻的增益斜率則為20dB，這能提供設(shè)計(jì)人員所要的相位邊限。
然而實(shí)際應(yīng)用不一定能達(dá)到這些理想條件。我們將以一個(gè)控制到輸出增益為+20dB的例子做為說(shuō)明，發(fā)現(xiàn)就算遵守前面例子的同樣規(guī)則，并忽略增益方程序的+1項(xiàng)，結(jié)果卻有很大不同。
區(qū)別在于根據(jù)設(shè)計(jì)，+1項(xiàng)會(huì)使TL431與光耦合器的增益，絕不會(huì)降到光耦合器本身增益以下。這是由于TL431感測(cè)的訊號(hào)，同樣會(huì)出現(xiàn)在提供電流給光耦合器的電壓源，這也就是所謂的「隱藏回路」。隨著TL431增益值降到0dB以下，它會(huì)變成很穩(wěn)定的電壓。然而電壓源（圖1的+Vout）上的任何訊號(hào)，仍會(huì)透過(guò)光耦合器在電流上產(chǎn)生訊號(hào)。
對(duì)設(shè)計(jì)人員而言，選擇R3等于1/10 R1，意味著圖1電路的+Vout點(diǎn)若出現(xiàn)10kHz 100mV弦波訊號(hào)，TL431陰極就會(huì)產(chǎn)生與+Vout訊號(hào)反相的10mV訊號(hào)。這個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)在R4電阻兩端造成110mV訊號(hào)（其中100mV來(lái)自電阻的+Vout端，10mV來(lái)自TL431陰極）。電路需要10mV訊號(hào)才能在10kHz得到0dB增益值，這使總回路增益在所要求的10kHz跨越點(diǎn)仍為+20dB。
隨著頻率繼續(xù)升高，誤差放大器輸出訊號(hào)會(huì)越來(lái)越弱。但來(lái)自訊號(hào)源的訊號(hào)依然不變，通過(guò)電阻R4的電流也繼續(xù)由+Vout電壓主導(dǎo)。
這表示隨著誤差放大器的增益通過(guò)0dB，由TL431和光耦合器電路組成的回授回路增益曲線將逐漸平坦，并如下圖4所示固定于1或0dB （點(diǎn)線）。
圖4：增益元件控制到輸出、回授電路和總開(kāi)回路增益的增益圖。
解決此問(wèn)題的方法是在R4與Vout間增加一個(gè)濾波器，讓R4有穩(wěn)定的電壓源。在此例中使用濾波器和串聯(lián)穩(wěn)壓器的典型做法如圖5所示。
圖5：包含濾波電路的回授回路。
圖6是增加濾波電路后的增益曲線，可以看出它產(chǎn)生我們所要的TL431增益曲線。
圖6：在R4與Vout之間增加濾波器所得到的效果。
我們還建立一個(gè)電路，來(lái)展示增加濾波器的效果并進(jìn)行測(cè)試。圖7即為測(cè)試所用的電路。
圖7：測(cè)試電路。
為了測(cè)量電路的回路增益，先在R9兩端加上一個(gè)訊號(hào)，然后測(cè)量?jī)蓚€(gè)電路點(diǎn)之間的電壓。第一個(gè)要測(cè)量的電路點(diǎn)是R9與R7的接點(diǎn)。
第二個(gè)電路點(diǎn)則視測(cè)量對(duì)象為T(mén)LV431增益或光耦合器輸出而定。若要測(cè)量TLV431增益就將它接到TLV431的陰極，若要測(cè)量CNY17就連接到光晶體管的射極。
圖8顯示TLV431的增益與相位圖，圖9則是CNY17射極的增益與相位圖。
圖8：TLV431的增益。
圖9：CNY17的增益。
圖10：測(cè)試電路的增益圖。
圖11：測(cè)試電路的相位圖。
測(cè)量過(guò)程中以不同頻率得到的增益值，顯示于之后的示波器圖上。圖12與13顯示增益值的相對(duì)改變情形。
圖12：10Hz的電壓。
圖13：50Hz的電壓。
最上面的波形是以差動(dòng)方式將訊號(hào)加到R9兩端（圖7中的A點(diǎn)），然后測(cè)量R9與R7的連接點(diǎn)所得到的波形。下面的波形是加到TLV431陰極的訊號(hào)（圖7中的B點(diǎn)），中間的波形則是光耦合器的射極電壓波形（圖7中的C點(diǎn)）。
可以看出光耦合器射極與TLV431陰極的電壓相位剛好相差180度，TLV431訊號(hào)振幅也略大于光耦合器的光晶體管射極，這正是電流轉(zhuǎn)換比小于1所造成的影響。最后，我們還看到TLV431與光耦合器的50Hz波形振幅都小于10Hz時(shí)的振幅。
圖14：100Hz的電壓。
圖15：500Hz的電壓。
增益會(huì)隨著頻率升高而逐漸下降。但從回路響應(yīng)圖形可以看出光耦合器的增益或振幅會(huì)逐漸穩(wěn)定，TLV431的增益則會(huì)繼續(xù)下降。從圖10可以看出這應(yīng)出現(xiàn)在500Hz左右。
為了更方便觀察這些效應(yīng)，接下來(lái)的幾張示波器圖片都使用較大的輸入訊號(hào)。
圖16：1kHz的電壓。
圖17：5kHz的電壓。
TLV431的輸出會(huì)隨著頻率進(jìn)一步升得更高而繼續(xù)下降。到了5kHz時(shí)，示波器上幾乎已看不到漣波。然而，光耦合器輸入訊號(hào)與輸出訊號(hào)則幾乎同樣大小。
圖18：10kHz的電壓。
到了10kHz時(shí)，TLV431的電壓看起來(lái)就像一條直線，光耦合器的輸出則仍可看出輸入弦波的形狀。這些結(jié)果都吻合本文前面討論的測(cè)量值與計(jì)算結(jié)果。
結(jié)論：直流電源轉(zhuǎn)換器采用這類(lèi)回授設(shè)計(jì)時(shí)，常需對(duì)提供光耦合器電流的電壓源進(jìn)行濾波。它有助于除去這個(gè)「隱藏」路徑，并利用TL431附近的元件控制回授回路增益。
如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源，潮光光耦網(wǎng)。
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