TL431及PC817在开关电源中的应用

TL431的应用1、介绍后备式电源的安全运行需要将输入和输出隔离，这种隔离需要保证控制芯片不能直接对输入和输出电压进行侦测。

由于输入控制输出，一个用于控制输出的误差信号必须从输出得到，这篇应用文章主要讨论了一种应用AS431 和光耦4N27 实现电压反馈的简单方法。

2、电源电路图一显示了一种简单的反激调整器，用电流型控制芯片AS3842 控制输出，AS431 被用来侦测输出电压的参考和反馈误差放大器，并产生相应得误差放大信号，然后误差电压信号转化成误差电流信号通过光耦4N27 送到原边。

3、光耦目前，光耦器件制造厂商在光耦元件的处理以及封装技术上得到了关键的提高，得到更好的传输比（current transfer ratio CTR ）误差和更长时间的可靠性。

当设计光耦反馈电路的时候，设计人员应该注意到光耦正向二极管的电流，因为它直接关系到器件的电流传输比CTR 和器件长时间内的可靠性，就像灯丝一样，光耦二极管在遭受较高电流时将老化，损坏。

光耦的增益带宽随着二极管正向电流增加而相应增加，带宽的控制由输出晶体管参数的变化来调制。

值得一提的是，输出晶体管基极和集电极间的米勒电容将使光耦的带宽下降。

一个好的光耦反馈环不但需要提高整体可靠性，还需要保证系统的响应速度。

4、设计实例参考图二显示了反激电路电压反馈环，为了保证5V 电压的稳定输出，Vcomp 必须跟随输出电压，输出电压通过两个 2.5k 的电阻分压，结果送到AS431 误差反馈网络，误差反馈的输出电压Vcathode 被转化成与二极管成比例的电流信号，此处光耦起到隔离原边二次侧的作用，并产生与二极管电流成比例的集电极电流（即光耦的三极管的集电极），因为光耦连接到Vcomp 脚，光耦输出电流就是Icomp 电流，在一般运行状态下，更高的输出电流促使Vcathode 下降，导致流过光耦二极管电流增加，发光二极管发光增强，使得三极管接受到的信号增加，使得集电极电流增加，即Icomp 增加，从而使得Vcomp 下降，Vcomp 下降使得PWM 占空比减小，输出电压下降。

反激式开关电源的环路补偿设计与应用摘要反激式开关电源工作的稳定性与其反馈环路有很大的关系，若反馈环路系统没有足够的幅值、相位裕度，开关电源工作将会不稳定且出现输出振荡。

文章基于TNY278芯片开关电源的环路补偿设计为例，详细分析了其环路补偿电路，根据分析验证，总结出该方法不仅能有效控制整个环路的稳定性而且可以降低输出振荡，满足设计要求。

关键字反激式开关电源相位裕度幅值裕度环路补偿穿越频率Design and application of loop compensation for flyback switching power supplyYE Zhenxiong XU Wenyi CHENYouzhang MAZhengxian(TCL air conditioner (Zhongshan) Co., Ltd Zhongshan,Guangdong 528427)Abstract The stability of flyback switching power supply is closely related to its feedback loop. If the feedback loop system does not have enough amplitude and phase margin, the switching power supply will be unstable and output oscillation will occur. Based on theTNY278 chip switching power supply loop compensation design as an example, detailed analysis of the loop compensation circuit, according to the analysis and verification, summed up the method can not only effectively control the stability of the whole loop, but also reduce the output oscillation, meet the design.Keywords Flyback switching power supply Phase margin Amplitude margin Loop compensation Crossing frequency引言随着半导体行业的发展，开关电源的应用场合不断拓宽。

反激开关电源中基于PC817A 与TL431配合的环路动态补偿设计韩林华,吴迺陵,史小军,朱　为,堵国梁(东南大学电子工程系,江苏省南京市210096)【摘　要】　开关电源市场中占很大份额的单端反激开关电源通常采用PC817A 与TL431配合来组成控制环路。

然而,目前设计这个环路的动态补偿参数,基本上采用试验方法。

文中利用开关电源的小信号传递函数,对此环路的动态补偿进行了定性分析和定量计算,通过设计合适的相位裕量来保证开关电源的稳定性。

其过程经实验证明具有较好的通用性,在实际应用中取得了很好的效果。

关键词:反激开关电源,环路设计,动态补偿,相位裕量中图分类号:TN86收稿日期:2005-07-010　引　言开关电源依靠反馈控制环路来保证在不同的负载情况下得到所需的电流电压。

单端反激开关电源的环路设计中,很多都采用光耦PC817A 和精密宽电压稳压管TL431相配合,作为参考、隔离、取样和放大,组成负反馈环路。

然而在设计动态补偿参数时,目前通常采用试验方法,经过多次反复试验和测量,取得一组能使开关电源稳定工作的参数。

由于开关电源的环路参数设计与许多因素有关,比如电源的工作频率、输出滤波电容的ESR (等效串联电阻)等,而通过试验得出的结果没有通用性,往往不能运用于以后不同要求的设计。

本文以单端反激开关电源设计为例,在基于PC 817A 和TL431配合的环路设计中,将控制论运用于开关电源动态补偿设计中,利用开关电源的小信号传递函数,对此环路的动态补偿设计进行了定性分析和定量计算,通过设计合适的相位裕量来保证开关电源的稳定性。

其过程经实验证明具有较好的通用性,在实际运用中取得了很好的效果。

1　反馈环路设计开关电源的控制方式有电流控制方式和电压控制方式两种[1]。

电源的传递函数随控制方式的不同而有很大差异,在环路设计分析时,应独立分开。

本文着重介绍电流控制方式。

图1为电流控制方式的单端反激开关电源的反馈环路电路。

PC817 与TL431应用(一)、817+431应用简图：(二)、817应用要点：1、817基本参数。

2、817的正向工作电流PH LED的If在1mA～10mA时，电流传输比呈线性；PH Q 的Ic的电流应在1～10mA之间时，集射电压Vce在很宽的范围内线性变化。

受PH LED电流If控制，开关脉宽调制会线性变化，PH Q 的Ic的电流也应在这个范围变化。

如果不考虑线性性能, PH LED的If可在1mA～50mA。

一般开关电源设置Ic的电流应在1mA～10mA之间。

选择CTR= 130 ～ 260, Ic=10mA，If= 10/1.3 = 7.7mA，If= 10/2.6 = 3.8mA，选择CTR= 200～ 400, Ic=10mA，If= 10/2.0 = 5.0mA，If= 10/4.0 = 2.5mA，选择CTR= 130 ～ 260, Ic=5mA，If= 5/1.3 =3.8mA，If= 5/2.6 = 1.92mA，选择CTR= 200～ 400, Ic=5mA，If= 5/2.0 = 2.5mA，If= 5/4.0 = 1.25mA，因此只选If= 1.25～ 7.7 mA左右就可以了。

3、817的正向工作电压PH LED的Vf在1.0V～1.4V，计算If电流和Ik电流要扣除该电压影响。

4、由于传输滞后和相移，以及整个电源控制的滞后和相移，电路设计中需增加提升低频增益电路（R3、C1），来压制低频纹波和提高输出调整率，即静态误差，提升相位，要放在带宽频率的前面来增加相位裕度，具体位置要看其余功率部分在设计带宽处的相位是多少，电阻和电容的频率越低，其提升的相位越高，当然最大也只有90度，但其频率很低时低频增益也会减低。

(三)、431应用要点：1、431的基本参数。

1、431的工作电流要大于1mA小于100mA。

.作为开关电源运行电流，考虑前述光耦的线性参数和偏置电流的分流，Ik设计在3mA---10mA为宜。

TL431及PC817在开关电源中的应用TL431功能简介本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器TL431来完成，在反馈电路的应用中运用采样电压通过TL431限压，再通过光电耦合器PC817把电压反馈到SG3525的COMP端。

由于TL431具有体积小、基准电压精密可调，输出电流大等优点，所以用TL431可以制作多种稳压器。

其性能是输出电压连续可调达36V，工作电流范围宽达0．1～100mA，动态电阻典型值为0．22欧,输出杂波低。

其最大输入电压为37V，最大工作电流为150mA，内基准电压为2.5V，输出电压范围为2.5～30V。

TL431是由美国德州仪器（TI）和摩托罗拉公司生产的2.5～36V可调式精密并联稳压器。

其性能优良，价格低廉，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中。

此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。

TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图4.26所示。

图中，A为阳极，使用时需接地；K为阴极，需经限流电阻接正电源；UREF是输出电压UO的设定端，外接电阻分压器；NC为空脚。

TL431的等效电路如图所示，主要包括①误差放大器A，其同相输入端接从电阻分压器上得到的取样电压，反相端则接内部2.5V基准电压Uref，并且设计的UREF=Uref，UREF通常状态下为2.5V，因此也称为基准端；②内部2.5CV基准电压源Uref ；③NPN型晶体管VT，它在电路中起到调节负载电流的作用；④保护二极管VD，可防止因K-A间电源极性接反而损坏芯片。

TL431的电路图形符号和基本接线如图4.27所示。

它相当于一只可调式齐纳稳压管，输出电压由外部精密分压电阻来设定，其公式为 (4-16) ：R3是IKA的限流电阻。

其稳压原理为：当UO上升时，取样电压UREF也随之升高，使UREF>Uref，比较器输出高电平，使VT导通，UO开始下降。

0 引言电流型反激式开关电源通过负反馈环路来保证输出的稳定，而反馈环路补偿参数的确定如果由多次试验和测量取得，往往工作量大且缺乏效率，通用性不高，无法运用到其他要求的开关电源设计中。

本文以三肯6251芯片为例，基于PC817和TL431配合的环路设计，运用开关电源小信号传递函数，对环路进行定性分析和计算，设计合适的补偿环路来满足开关电源的稳定性并实验验证该方法的可行性和通用性。

1 反馈环路设计反激式开关电源的工作模式有两种：电压型和电流型。

电压行控制方式只有一路电压环，通过反馈电压和内部三角波比较产生占空比可变的驱动信号调节输出电压；电流型控制方式有电压和电流两个闭环控制，能够响应更快。

图1使用的是PC817和TL431组合精准反馈次级+15V 电压，TL431，C1，R2组成环路补偿电路。

2 回路稳定性准则第一准则：系统的总增益在穿越频率处的斜率应为-20dB/dec ；第二准则：截止频率的相位裕量大于45°；根据以上两条原则进行环路设计，可基于PC817与TL431配合电流型反激开关电源环路补偿设计陶坤元 珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070以实现输入电压突变或输出负载变化时都能满足输出电压的稳定性。

3 环路常用补偿回路环路设计的步骤：（1）根据截止频率补偿前的增益选定误差放大器在截止频率处的增益，使系统总增益在截止频率处为0dB，为了保证系统稳定，穿越频率选为开关频率的1/5～1/4，一般穿越频率必须远远小于开关频率，不然会出现很大的开关纹波；（2）选择合适的补偿电路，使得总增益曲线在穿越频率附近斜率为-20dB/dec。

（3）调整误差放大器的增益以获得总增益大于45°的所需相位裕度。

4 设计举例基本参数：见图1输入电压交流85V ～265V，整流后直流电压为120V ～375V，输出为15V/1A，储能电容C2为470uF，初级匝数为128匝，初级绕组电感2.71mH.开关电源最大频率为50KHZ，取样电阻Rsense 为0.11Ω，使用的开关电源芯片是三肯公司的6251。

开关电源用光耦817选型和TL431配合设计建议开关电源是一种常用的电源设计，在实际使用中，可以使用光耦817和TL431作为配合设计，以提高电源的性能和可靠性。

下面将详细介绍光耦817和TL431的选型和设计建议。

光耦817是一种常用的光耦器件，其内部包含一个红外发射二极管和一个光敏三极管。

光耦817在开关电源中主要用于隔离输入和输出信号，以提高系统的安全性和稳定性。

选型光耦817时，需要考虑以下几个因素：1.峰值反向电压：开关电源中，输入和输出信号需要隔离，因此光耦817的峰值反向电压需要能够满足系统的工作要求。

2.传输速率：光耦817的传输速率决定了信号传输的快慢，选型时需要根据实际需求选择合适的传输速率。

3.耐热性：开关电源在工作过程中可能会产生较高的温度，因此光耦817需要具有良好的耐热性，能够在高温环境下长时间工作。

4.封装类型：光耦817有多种封装类型，如DIP封装、SOP封装等，选型时需要根据实际应用情况选择合适的封装类型。

TL431是一种常用的可编程精密稳压器，其内部包含一个比较器和一个电流源。

TL431在开关电源中主要用于稳压和参考电压源，以提供稳定的工作电压和精确的参考电压。

选型TL431时，需要考虑以下几个因素：1.工作电压范围：开关电源的工作电压要求可能会有所不同，因此选型TL431时需要根据具体的工作电压范围选择合适的器件。

2.稳定性：TL431的稳定性决定了其输出电压的准确性和稳定性，选型时需要根据实际要求选择具有良好稳定性的器件。

3.温度系数：TL431在不同温度下其输出电压可能会发生变化，选型时需要考虑温度系数，并根据实际需求选择合适的器件。

4.封装类型：TL431有多种封装类型，如TO-92封装、SOT-23封装等，选型时需要根据实际应用情况选择合适的封装类型。

在使用光耦817和TL431进行配合设计时，需要注意以下几个问题：1.输入和输出信号的隔离：使用光耦817将输入和输出信号进行隔离，以确保系统的安全性和稳定性。

TL431和PC817配合做的开关电源Traceback:/s/blog_5fee70710100db57.html2009年07月07日星期二 14:00可调式精密并联稳压器TL431TL431是由美国德州仪器（TI）和摩托罗拉公司生产的2.5～36V可调式精密并联稳压器。

其性能优良，价格低廉，该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，可广泛用于单片精密开关电源或精密线性稳压电源中，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管。

此外，TL431还能构成电压比较器、电源电压监视器、延时电路、精密恒流源等。

TL431大多采用DIP-8或TO-92封装形式，引脚排列分别如图1所示。

3 个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。

图中，A为阳极，使用时需接地；K为阴极，需经限流电阻接正电源；UREF是输出电压UO的设定端，外接电阻分压器；NC为空脚。

由TL431的等效电路图可以看到，Uref是一个内部的2.5V 基准源，接在运放的反相输入端。

由运放的特性可知，只有当REF 端（同相端）的电压非常接近Uref（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF 端电压的微小变化，通过三极管VT的电流将从1 到100mA 变化。

当然，该图绝不是TL431 的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。

但如果在设计、分析应用TL431 的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。

前面提到TL431 的内部含有一个2.5V 的基准电压，所以当在REF 端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。

如图2 所示的电路，当R1 和R2 的阻值确定时，两者对Vo 的分压引入反馈，若Vo 增大，反馈量增大，TL431 的分流也就增加，从而又导致Vo 下降。

显见，这个深度的负反馈电路必然在Uref等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。

开关电源的稳压反馈通常都使用TL431和PC817，如输出电压要求不高，也可以使用稳压二极管和PC817.德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。

它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。

该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管.上图是该器件的符号。

3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。

TL431的具体功能可以用如下图的功能模块示意。

由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。

由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF 端电压的微小变化，通过三极管图1 的电流将从1到100mA变化。

当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。

但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。

如图2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。

显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。

选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。

需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。

下面我来通过以下典型应用电路来说明TL431,PC817的配合问题。

电路图如下：为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R13的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K. 2)待机功耗的要求，如有此要求，在满足《12.5K的情况下尽量取大值。