NEST033 October 2017 TL431
在隔離式電源供應器中，光耦合器會將回饋訊號傳遞穿過隔離邊界。光耦合器包含發光二極體 (LED) 和光電探測器。流經 LED 的電流會使光電探測器中有一定比例的電流流動。電流傳輸比 (CTR) 是從 LED 到光電探測器的電流增益，通常具有非常寬的容差。設計隔離式回饋網路時，您必須考量光耦合器及所有其他決定大訊號增益的元件的容差。若忽略此任務，則極有可能會在產品投入生產後導致退貨。
隔離回饋網路的原理圖是最常見的實作，如圖 1 所示。TI 的 TL431 包含誤差放大器及參考。R3 和 R5 的電阻分壓器以及 TL431 的內部參考會設定輸出電壓。回饋網路會透過改變脈衝寬度調變 (PWM) 控制器回饋接腳上的電壓，來控制供應至電源供應輸出的電源。當 VOUT 漂移較高時，TL431 陰極會透過光耦合器汲取更多電流，進而將回饋接腳拉低。當 VOUT 漂移較低時，TL431 陰極命令來自光耦合器的電流較小，進而允許回饋接腳浮動較高。
正確的設計必須確保此電路能夠在整個動態操作範圍內驅動控制器的回饋接腳，同時考慮所有主要變量的最壞情況容差。
圖 1 此電路通常會在隔離電源供應器中產生回饋訊號。第一步是確定控制器中回饋接腳的動態操作範圍。所有控制器都各不相同，因此此任務需要對產品規格表進行一些調查。例如，假設您正使用 UCC2897A 來控制 12V 輸出主動箝位順向式轉換器。閱讀 UCC2897A 產品規格書中的「詳細接腳說明」，即可看出回饋接腳上的 2.5V 電壓會導致零工作週期，而 4.5V 的回饋電壓則會產生最大工作週期。UCC2897A 亦提供 5V 參考，您可以使用其透過圖 1 中的 R6 來偏壓光耦合器的光電探測器。此參考的最小值為 4.75V，而最大值則為 5.25V。方程式 1 和 2 假設您使用 R6 容差為 1% 的 1kΩ 電阻器，計算通過光耦合器光電探測器所需的電流範圍：
您的電路必須能夠在 0.25mA 至 2.78mA 的範圍內驅動 R6 電流。透過提供電阻器 R2，TL431 的陰極可提升至夠高的電壓，進而消除光耦合器 LED 中的電流。因此，電路設計保證了可提供最小的 R6 電流，您只需要擔心提供如何最大的 R6 電流。
第二步是計算光耦合器的最壞情況 CTR。零件編號中含「817」的光耦合器由多家製造商提供，且接腳對接腳彼此相容；每種光耦合器在零件編號中均使用不同的前置字元。表 1 顯示了具有不同 CTR 範圍的 817 裝置的範例，零件編號中以單字母後置字元表示。此 CTR 範圍不包含溫度與偏壓電流的影響。在表 1 和圖 3 中重新建立的光耦合器產品規格表中的圖表總結了溫度和偏壓電流的影響。
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假設您預期電源會在 −40°C 至 85°C 環境中運作。從 中，您知道在 85°C 時需要將最小 CTR 乘以約 0.7 的係數。如果您選擇了 817 的「A」版本，則最小 CRT 現在可以低至 56%。將方程式 1 的結果除以 0.56 即可得知，您可能需要至少 4.96mA 的 LED 電流，其中不包括偏壓電流的影響。您可從此看出，4.96mA 時的偏壓電流影響可忽略不計。
圖 2 光耦合器 CTR 會隨溫度變化。
圖 3 光耦合器 CTR 會隨偏壓電流而變化。第三步 (也是最後一步) 是設定 R1 的值，以確保 TL431 在所有條件下都能充分驅動光耦合器。TL431 的最小陰極電壓為 2.5V，而光耦合器 LED 的順向壓降則可高達 1.0V。方程式 3 計算了保證調節的 R1 最大值：
若在此電源供應器中使用大於 1.7kΩ 的 R1 值，可能會阻止 TL431 在 LED 中驅動足夠的電流來維持調節。如果光耦合器的電流不足，輸出電壓將持續上升，直到適量的 LED 電流通過光耦合器傳導。這會導致輸出發生過電壓的情況，並且在較高溫度下更有可能發生。
諸如此類的容差問題經常在設計階段被忽略。電源供應器的預生產運作可能會輕鬆地通過所有測試，而問題只會在客戶退貨後才會出現。遵循此處的簡單設計程序，不僅可以為您節省公司的資金，還能讓您的客戶滿意。
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