采用TL-431及光耦合器反馈情况下的增益考虑

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：

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：

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

　　图4 增益组件控制至输出、反馈网络及总开路增益

我们让R3等于R1的十分之一,这就意味着,如果设计人员在如图1所示的电路+Vout点上遇到10kHz100mV的正弦波信号,那么在TL431阴极上就会变为10mV信号,刚好与+Vout信号偏出180度相位。该设计使R4电阻上产生110mV信号(100mV来自电阻的+Vout侧,10mV来自TL431阴极)。电路需要10mV信号才能在10kHz上实现0dB增益,结果在所需的10kHz交越处总的回路增益仍为+20dB。

随着频率不