增益考虑使用分流调节器和光耦合器反馈

德州仪器TL431和光耦合器配置是许多功率转换器设计人员的常见组合。然而，如果没有仔细的设计和深思熟虑，就会导致设计头痛。避免让许多没有经验的设计师，甚至一些有经验的设计师陷入陷阱。

［注:TI TL431是一种三端可调分流稳压器，具有适用于汽车，商用和军用温度范围的特定热稳定性。输出电压可以设置为Vref(约2.5 V)和36v之间的任何值，有两个外部电阻)

图1显示了一个典型的电路。R1和R2设置分压器，使R1和R2的结电压在所需输出电压处等于TL431的内部参考电压。电阻R3和电容C1和C2在TL431周围提供所需的反馈回路补偿，以稳定控制回路。在环路增益的其余部分确定后，计算并添加这些分量。

图1所示。TL431的典型反馈电路，三端可调分流稳压器。由德州仪器公司提供。

图1中TL431周围的电路增益由

公式1:增益= Zfb/R1。

式中Zfb为(式2)

方程2:

ω是弧度/秒的符号。

光耦合器环路增益要求设计者知道光耦合器的电流传递比(CTR)。该增益等于(R6/R4)*光耦合器的CTR(式3)。

方程3:

光耦合器= CTRx(R6/R4)

然而，在图1中，TL431电路的总增益包括一个额外的因素，因为实际的传递函数是基于通过光耦合器的LED的电流。函数为(VOUT - v阴极)/R4，其中VOUT等于进入TL431的VSENSE电压。由此得出TL431和光耦合器的总增益方程(式4):

方程4:

在本文中，+1项是可以忽略的隐藏反馈路径，只要Zfb/R1项显著大于1。本文和下面的范围图将进一步解释这个术语。现在，我们假设公式是正确的。

通过将变换器剩余的增益元素相乘，设计者可以在不受反馈电路影响的情况下得到功率变换器的开环增益随频率变化的曲线图。这些因素包括变压器匝比、脉宽调制(PWM)增益输出滤波器元件的影响、相应的负载影响、除TL431增益外的所有增益元件以及光耦的影响。一旦绘制完成，设计人员就可以确定增益作为TL4321和光耦合器所需频率的函数，以满足环路所需的稳定交叉。

零件公差余量

转换器以特定的开关频率工作。设计者知道总开环增益必须在低于该频率的六分之一的点上穿过零dB。大多数设计师都为组件公差留有余地，而其他人只是在该值的十分之一左右进行设计。通常情况下，这个余量将超过补偿组件公差。在本例中，这是假设的，开关频率固定在100khz。

由于在期望的交叉频率上的控制输出增益是已知的，因此所需要的就是在TL431和光耦合器的增益等于该值在交叉频率上的倒数。

设计人员现在可以为TL431周围的反馈选择组件，因为环路穿过零dB所需的频率是已知的。还需要大于45度的相位裕度。

如果TL431电路所需的增益大于20 dB，那么通过为R3、C1和C2选择正确的电阻和电容，可以形成TL431的增益。因此，设计人员可以忽略+1项，因为它与TL431的增益相比很小。

图2显示了转换器的控制输出图，其中在10khz的期望过零处的增益为0.1或- 20db。该图要求反馈回路的增益为+ 20db或在期望的零点交叉处的因数为10。

图2。转换器的控制输出增益。提供:德州仪器

现在，设计人员可以确定所需的环路响应并相应地选择R1、R2、R3、R4、R6、C1和C2的值。

为了便于设计，在本例中，R4和R6彼此相等，并且选择CTR为100的光耦合器(或者，对于通过LED的每毫安电流，晶体管有一毫安电流)。

在10khz时，期望的增益应该是10倍，因此R3等于10r1。TL431的增益应该在零dB点之后滚降，但设计人员还需要一些相位裕度。因此，电容器C2被设置为在20khz时等于R3。设计人员需要在低频时获得更高的增益，但交叉时的相位应大于45度，因此C1设置为等于1 kHz时的R3。

图3。控制输出、TL431和总系统环路增益显示为频率的函数。提供:德州仪器

图3显示了控制到输出的初始开环增益(实线)、补偿增益(虚线)和组合的总系统增益(虚线)。在这个例子中，设计工作得很好。总环路在10khz时穿过零dB(图3中的一个)，斜率为每10年20 dB，这提供了所需的相位裕度。

理想条件和现实世界

在现实世界中，实现这些理想条件并不总是会发生。所以，这里有一个例子，涉及到+20 dB的控制输出增益。结果是完全不同的，即使在前面的例子中应用相同的规则，并且忽略增益方程中+1项的影响。

不同之处在于，TL431和光耦合器的增益，正如配置的那样，永远不会因为+1项而低于光耦合器单独的增益。这是因为被TL431感测的信号也存在于电压源上，为光耦合器提供电流，因此是隐藏环路。当TL431增益降至零dB以下时，它成为一个非常稳定的电压。然而，电压源上的任何信号(图1中的+VOUT)仍然会在通过光耦合器的电流中产生信号。

选择R3等于R1的十分之一意味着，如果设计人员在图1所示电路的+Vout点上有一个10 kHz 100 mV正弦波信号，则它在TL431阴极上显示为与+Vout信号180度相异的10 mV信号。这种设计产生110 mV的信号穿过R4电阻(100 mV来自电阻的+ VOUT端，10 mV来自TL431阴极)。电路需要一个10mv信号在10khz时有一个零dB增益。结果是总环路增益仍然是+ 20db在期望的10 kHz交叉。

随着频率的不断增加，误差放大器的输出信号变得越来越弱。然而，来自信号源的信号保持不变，通过电阻R4的电流继续由+VOUT上的电压主导。

这意味着当误差放大器的增益通过零dB时，由TL431和光耦合器电路组成的反馈回路的增益变平并固定在1或零dB，如图4(虚线)所示。

图4。增益组件控制输出，反馈网络，总开环增益。提供:德州仪器

解决方案是在R4和VOUT之间放置一个滤波器，这样R4的电压源就是一个稳定的电压。图5显示了在这种情况下带串联稳压器的滤波器的典型应用。

图5。带有附加过滤的反馈回路。提供:德州仪器

添加此滤波器网络，得到如图6所示的增益曲线，实现了TL431所需的增益曲线。

图6。在R4和VOUT之间添加过滤器的效果。提供:德州仪器

建立并测试了一个演示电路来显示添加滤波器的这些效果。图7显示了用于测试的电路。

图7。测试电路。提供:德州仪器

电路的环路增益是通过在R9上注入信号并测量两点的电压来测量的。第一个要测量的点在R9和R7的交界处。

当测量CNY17的增益时，第二个点分别连接到TLV431的阴极或CNY17的光晶体管发射极，这取决于被测量的增益是TLV431增益还是在光耦合器的输出端。

图8显示了TLV431的增益和相位。图9显示了CNY17发射极的增益与相位。

图8。TLV431处增益。提供:德州仪器

图9。收于人民币17元。提供:德州仪器

正如这些数字所示，由于人民币的CTR不是一对一的，因此直流增益略有不同。此外，还存在180度的相移。这对应于从TLV431阴极到光电晶体管发射极的极性反转。

计算出的增益和相位如图10所示，相位如图11所示。实线表示在TLV431阴极处计算的增益。虚线表示光晶体管发射极处的计算增益。CTR已被修改，以反映计算中测量的CTR。增益是实际值，而不是dB。

图10。测试电路的增益。提供:德州仪器

图11。测试电路的相位。提供:德州仪器

这一系列的示波器图片显示了测量过程中不同频率下的增益。图12和图13展示了增益的相对变化。

图12。电压为10hz。提供:德州仪器

图13。50hz电压。提供:德州仪器

顶部走线是通过R9差分感应的信号(图7中的A)，并在R9和R7的交界处进行测量。底部走线是在TLV431阴极处产生的信号(图7中的B)，中间走线是光耦合器发射极上的电压(图7中的C)。

观察到，信号在光电耦合器发射极上的相位关系与TLV431阴极上的电压呈180度的反相关系。观察到的另一件事是，TLV431信号的幅度略强于光耦合器的光电晶体管发射极。这种强度来自于CTR小于1。最后，观察到TLV431和光耦合器的50 Hz波形的振幅在50 Hz时比在10 Hz时小。

图14。100hz电压。提供:德州仪器

图15。电压为500hz。提供:德州仪器

随着频率的增加，增益继续减小。然而，根据环路响应，光耦合器的增益或幅度应该稳定，而TLV431的增益应该继续降低。根据图10中的图表，这应该发生在500 Hz左右。

注入的信号在接下来的几幅图像中增加，以便可以很容易地观察到效果。

图16。电压为1khz。提供:德州仪器

图17。电压在5khz。提供:德州仪器

随着频率的进一步增加，TLV431的输出继续降低。在5千赫，纹波几乎是看不见的在这个比例。然而，输入信号的大小和光耦合器的输出几乎是相同的。

图18。电压在10khz。提供:德州仪器

在10 kHz时，TLV431上的电压看起来几乎是一条直线，而光耦合器的输出仍然反射输入正弦波。这些观测反映了上面已经讨论过的测量和计算结果。

滤波器电压源

在使用这种类型反馈的dc/dc转换器的设计中，通常需要对为光耦合器提供电流的电压源进行滤波。这有助于消除这种潜行路径，并控制与TL431周围的组件反馈回路的增益。

另请阅读:提示和技巧:电源转换设计帮助

了解更多关于TL431和TLV431的信息https://www.ti.com/product/tl431和https://www.ti.com/product/tlv431

www.power.ti.com

John Bottrill是德州仪器公司的高级应用工程师，在新ic发布前为客户提供支持和评估。在此过程中，他发表了20多篇技术论文，并拥有两项专利。他在加拿大安大略省金斯顿的皇后大学获得电气工程学士学位。您可以通过ti_johnbottrill@list.ti.com与他联系。

编辑马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体、控制工程，网址为mhoske@cfemedia.com。

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