- 关键词：ADI,工业芯片,光耦合器
- 作者：Hermogenes Escala，应用工程师
- 摘要：光耦合器对开关电源(SMPS)设计至关重要，它使得信号能够安全、可靠地跨越电气隔离边界传输。而光耦合器的性能取决于适当的偏置及在反馈控制环路内的正确集成；配置错误会导致不稳定、瞬态响应不佳和调节性能下降。本文分为两部分，探讨SMPS中光耦合器的技术实现。第一部分讨论关键工作原理，包括LED和光电晶体管偏置、电流传输比(CTR)的选择及补偿网络的设计，这些方面对于保持控制环路精度和信号完整性非常重要。
引言
在隔离型开关电源(SMPS)架构中，从输出（次级）侧到输入（初级）侧的反馈必须在不影响电气隔离的情况下进行传输。为了实现这一目标，通常的做法是将光耦合器与精密分流调节器（如LT1431）组合使用。分流调节器通过电阻分压器来监控SMPS的输出电压，并根据与期望设定点的偏差，调整流过光耦合器发光二极管(LED)的电流。
LED发出的光与正向电流(IF)成比例，光信号由初级侧的光电晶体管进行检测。该光电晶体管负责调制控制信号（通常位于脉宽调制(PWM)控制器的补偿引脚(COMP)），从而影响开关控制器的占空比。这种闭环反馈机制可确保输出电压在变化的负载和输入条件下保持稳定。
此环路的性能对光耦合器的偏置和补偿网络的设计非常敏感。不适当的偏置可能会引起非线性、饱和或响应迟缓，而补偿调整不当可能会导致不稳定或振荡。
什么是光耦合器偏置？
光耦合器的偏置是指设置正确的工作条件，具体而言是设置流过LED的正向电流及光电晶体管的集电极-发射极电压和电流，使得光耦合器在线性区域内工作。这对于反馈系统至关重要，因为光耦合器必须跨越隔离栅准确传输模拟信号。在隔离型SMPS中，光耦合器是次级侧电压检测与初级侧PWM控制器之间的桥梁。如果偏置不正确，反馈信号就会失真，导致电压调节不佳或不稳定。图1展示了光耦合器的内部结构及其在SMPS中用作反馈元件时的相关外部元件。
图1.反馈电路中光耦合器的典型连接
1. LED侧——驱动光信号（输入级）
在采用隔离反馈的SMPS中，光耦合器的LED侧通常由分流调节器驱动，根据输出电压来调节LED的正向电流。此正向电流是一个关键控制参数，它决定了LED发射光的强度，进而控制次级侧光电晶体管的导通水平。LED在正偏区域内工作，其光输出随IF的提高而提高。推荐的工作电流范围通常为1 mA至10 mA，但不同型号可能有所差异。
工作电流低于此范围会导致光功率不足，进而造成光电晶体管激活不充分，反馈调节不佳。另一方面，工作电流超过上限会产生热应力，缩短LED寿命，并因老化加速和结发热效应而降低光学效率。在实际设计中，LED电流由光耦合器LED阳极处的电阻(R2)设定；当分流调节器响应输出电压的变化而调整其阴极电流时，LED电流会动态调整。
环路设计中还必须考虑LED的正向压降，尤其是在计算低压轨的裕量时。在高性能或快速瞬变SMPS的设计中，为了确保光耦合器反馈路径的准确性、低噪声和热可靠性，保持稳定且精确受控的IF至关重要。
2. 电流传输比
电流传输比(CTR)是选择光耦合器时需要考虑的另一个参数。它指的是光电晶体管输出电流与LED输入电流之比，通常以百分比表示。例如，100%的CTR意味着1 mA的LED电流会导致光电晶体管输出1 mA的集电极电流。
CTR不是一个固定的值，它随温度、LED电流和器件老化而变化。例如，PC817D光耦合器的CTR在50%至600%之间，具体取决于产品型号和工作条件。设计人员必须考虑要保证的最小CTR，以确保系统在最坏情况下也能可靠运行。
选择CTR时的关键考虑因素
针对最小CTR进行设计，可确保反馈环路即使在最坏情况下也能正常工作。CTR可能因器件不同和时间推移而发生显著变化，围绕预计的最小CTR进行设计可保证即使光耦合器性能下降或在其规格边缘运行，光电晶体管也会提供足够的电流来驱动PWM控制器的COMP引脚。
温度漂移是另一个重要因素，因为CTR通常随着温度升高而降低。如果不考虑这种漂移，反馈环路在高温下可能会失去增益，导致响应迟缓，甚至丧失调节功能。设计人员必须确保环路具有足够的裕量，能够在整个工作温度范围内保持控制。
随着时间推移，老化效应也会导致CTR降低，尤其是在以大电流驱动LED的情况下。这种退化会导致给定电流下LED发出的光量减少，从而削弱反馈信号。在产品的整个使用寿命期间，这可能会导致补偿不足或不稳定，除非初始设计中包含了足够的裕量。
最后，线性度对于环路行为的可预测性至关重要。如果光耦合器工作在非线性区域，即LED电流的微小变化会导致光电晶体管电流发生不成比例的变化，反馈信号就会失真。这种非线性会使补偿设计复杂化，并降低输出电压调节的精度和稳定性。
