設(shè)計(jì)反饋回路要求進(jìn)行認(rèn)真的考慮及分析。我們總是容易忽視那些不需要的“隱性”反饋路徑,這對電路設(shè)計(jì)可能會造成損害。本文將討論一種最常見的反饋電路、設(shè)計(jì)人員可能面臨的問題,并將重點(diǎn)討論問題的解決方案。

TL431／光耦合器反饋電路
TL431加光耦合器配置是許多電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員所喜歡的組合。但是,如果設(shè)計(jì)不仔細(xì),考慮不周到,就會出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題。本文將討論許多經(jīng)驗(yàn)欠缺的設(shè)計(jì)人員都很容易誤入的陷阱,甚至某些經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員都難以幸免。
圖1給出了一個(gè)典型的電路。R1和R2設(shè)置分壓器,這樣在所需的輸出電壓上,R1與R2的結(jié)電壓等于TL431的內(nèi)部參考電壓。電阻R3以及電容C1和C2在TL431周圍提供了所需的反饋回路補(bǔ)償,可穩(wěn)定控制回路。確定其他部分的回路增益后,我們將計(jì)算并添加上述組件。
圖1中TL431周圍的電路增益根據(jù)以下公式計(jì)算：

這里的Zfb為

而w指每秒弧度。
要想知道光耦合器回路的增益,就需要了解光耦合器的電流傳輸率(CTR)。光耦合器的增益計(jì)算如下：(R6/R4)×CTR,即：
不過在圖1中,TL431電路的總增益還包括另外的因素,因?yàn)閷?shí)際傳輸函數(shù)取決于通過光耦合器LED的電流。函數(shù)為：(Vout-Vcathode)/R4,這里的Vout等于進(jìn)入TL431的Vsense電壓。我們可以得到TL431和光耦合器的“總增益方程式”如下：

在本文中,+1這一項(xiàng)是“隱性的”反饋路徑,只要Zfb/R1這一項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1,就可以對其忽略不計(jì)。
設(shè)計(jì)人員將電源轉(zhuǎn)換器各增益因素相乘,就得到電源轉(zhuǎn)換器的開路增益,它是頻率的函數(shù),不受反饋電路的影響。除TL431的增益之外,增益因素包括：變壓器匝比、PWM工作輸出濾波器組件效應(yīng)及相應(yīng)的負(fù)載效應(yīng),還包括光耦合器效應(yīng)。

圖1  典型的TL431反饋電路

轉(zhuǎn)換器以專用開關(guān)頻率工作。設(shè)計(jì)人員知道,總開環(huán)增益在低于頻率六分之一的一點(diǎn)上肯定會穿越0dB。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都會為組件和其他設(shè)計(jì)方案預(yù)設(shè)容限,大約在十分之一值時(shí)就會穿越0dB。在本例中,我們假定這種情況成立,那么開關(guān)頻率就固定為100kHz。
由于我們已知所需交越頻率上的控制至輸出增益,因此我們只需讓TL431周圍的反饋回路及光耦合器的增益等于交越頻率上相應(yīng)的值即可。
設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可就反饋選擇TL431周圍的組件,因?yàn)樗�需頻率已知,回路可以穿越0dB,且相位裕度大于45度。
如果TL431電路要求的增益大于20dB,那么我們可就R3、C1及C2選擇正確的電阻和電容,并確定TL431的增益。因此,設(shè)計(jì)人員可忽略+1這一項(xiàng),因?yàn)樗�與TL431的增益相比很小。
圖2給出了轉(zhuǎn)換器的控制至輸出圖,10kHz下所需過零處的增益為0.1或-20dB。在所需過零處,該圖要求反饋回路增益為+20dB或10。
現(xiàn)在,設(shè)計(jì)人員就能確定所需的回路響應(yīng),并相應(yīng)地選擇R1、R2、R3、R4、R6、C1和C2的值。
為了簡化本例中的設(shè)計(jì)工作,我們使R4與R6相等,并選擇CTR為100的光耦合器（也就是說,相對于通過LED的每毫安電流,都有一毫安電流流出晶體管）。
所需增益系數(shù)在10kHz上應(yīng)約為10,因此R3應(yīng)等于10 R1。TL431的增益在0dB點(diǎn)后應(yīng)“轉(zhuǎn)降”,但設(shè)計(jì)人員還希望獲得一些相位裕度。因此,我們在20kHz上設(shè)置電容C2與R3相等。設(shè)計(jì)人員希望低頻上的增益較高,但交越處的相位應(yīng)大于45度,因此我們在1kHz上設(shè)置C1等于R3。
圖3顯示了控制至輸出的初始開環(huán)增益（實(shí)線）、補(bǔ)償增益（點(diǎn)線）及總的系統(tǒng)增益（虛線）。在本例中,設(shè)計(jì)工作正常。總的回路在10kHz時(shí)穿越0dB,斜度為每10位下降20dB,這實(shí)現(xiàn)了所需的相位裕度。
我們很難保證上述理想條件總能在實(shí)際情況下實(shí)現(xiàn)。我們不妨舉例來說明,這時(shí)的控制至輸出增益為+20dB,即便我們遵循與上例中相同的規(guī)則,也忽略增益方程式中的+1項(xiàng),結(jié)果仍然明顯不同。
差異在于,TL431與光耦合器的增益根據(jù)配置決不會低于光耦合器自身的增益,這正是因?yàn)?1項(xiàng)的原因使然。TL431感應(yīng)的信號也存在于給光耦合器提供電流的電壓源上,因此形成了“隱性”回路。當(dāng)TL431增益降至0dB以下時(shí),就成為非常穩(wěn)定的電壓。但是,電壓源（圖1中的+Vout）上的任何信號都會通過光耦合器造成電流信號。

圖2  轉(zhuǎn)換器的控制至輸出增益

圖3  控制至輸出、TL431與總系統(tǒng)回路增益顯示為頻率的函數(shù)

圖4  增益組件控制至輸出、反饋網(wǎng)絡(luò)及總開路增益

我們讓R3等于R1的十分之一,這就意味著,如果設(shè)計(jì)人員在如圖1所示的電路+Vout點(diǎn)上遇到10kHz100mV的正弦波信號,那么在TL431陰極上就會變?yōu)?0mV信號,剛好與+Vout信號偏出180度相位。該設(shè)計(jì)使R4電阻上產(chǎn)生110mV信號（100mV來自電阻的+Vout側(cè),10mV來自TL431陰極）。電路需要10mV信號才能在10kHz上實(shí)現(xiàn)0dB增益,結(jié)果在所需的10kHz交越處總的回路增益仍為+20dB。
隨著頻率不斷增加,誤差放大器的輸出信號更弱。但是,信號源的信號不變,通過電阻R4的電流繼續(xù)由+Vout上的電壓主導(dǎo)。
這意味著,當(dāng)誤差放大器增益通過0dB時(shí),反饋回路（包括TL431和光耦合器電路）的增益會變平,固定在1或0dB上,如圖4所示（虛線）。
這一問題的解決方案是,在R4和Vout之間放置濾波器,這樣R4的電壓源仍是穩(wěn)定的電壓。圖5顯示了這種情況下采用濾波器與串聯(lián)穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用。

圖5  進(jìn)行額外濾波的反饋回路

圖6  在R4與Vout之間添加濾波器的效果

圖7  測試電路

添加濾波網(wǎng)絡(luò)后,我們就得到了如圖6所示的增益曲線,并實(shí)現(xiàn)了TL431所需的增益曲線。
我們建立了顯示添加濾波器效果的演示電路,并進(jìn)行了測試。圖7顯示了用于測試的電路。
我們在R9上插入信號,測量兩點(diǎn)的電壓,從而得到電路的回路增益。R9與R7的連接處是第一測試點(diǎn)。
根據(jù)所測量的增益不同,TLV431增益或光耦合器輸出,第二點(diǎn)可在測量CNY17增益時(shí)連接于TLV431的陰極,或連接于CNY17光電晶體管的發(fā)射極。
圖8顯示了TLV431的增益和相位。圖9顯示了CNY17發(fā)射極的增益和相位。
如圖8和圖9所示,各DC增益略微不同,這是因?yàn)镃NY17的CTR不是一對一的。此外,還存在180度的相位差,這對應(yīng)于TLV431陰極到光電晶體管發(fā)射極極性的顛倒。
圖10和圖11顯示了計(jì)算得出的增益和相位。實(shí)線代表計(jì)算得出的TLV431陰極增益,虛線代表計(jì)算得出的光電晶體管發(fā)射極增益。CTR經(jīng)過修改,反映了計(jì)算測量得出的CTR。增益為實(shí)際值,不是dB。
我們可以看出,光耦合器發(fā)射極信號相對于TLV431陰極管電壓正好存在180度的相位差。我們還可以看到,TLV431信號的強(qiáng)度略大于光耦合器光電晶體管發(fā)射極,這是由于CTR略小于1。最后,我們還能看出,TLV431與光耦合器在50Hz時(shí)的波形振幅小于10Hz時(shí)的情況。
增益隨著頻率的升高而下降。但是,根據(jù)回路響應(yīng),光耦合器的增益或強(qiáng)度在TLV431增益繼續(xù)下降時(shí)最終會趨于穩(wěn)定。根據(jù)圖10所示,這種情況會在500Hz時(shí)出現(xiàn)。
TLV431的輸出隨著頻率的不斷增加持續(xù)下降。在5kHz時(shí),我們幾乎看不到紋波。不過,輸入信號與光耦合器輸出的大小基本相同。

圖8  TLV431的增益 

圖9  CNY17的增益

圖10  測試電路的增益

圖11  測試電路的相位

在10kHz時(shí),TLV431的電壓幾乎成一條直線,而光耦合器的輸出仍反映為輸入的正弦波。我們觀察到上述結(jié)果,這也與本文已經(jīng)討論過的計(jì)算結(jié)果相符。

結(jié)語
在設(shè)計(jì)采用上述反饋類型的DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí),我們常常需要為給光耦合器提供電流的電壓源進(jìn)行濾波,這有助于消除“隱性”通道,并用TL431周邊的元件控制反饋回路的增益�！�