开关电源中PC817 与TL431配合的电阻选取问题

最近想把一个12V电源改成5V输出，找了一些资料来看，转过来保存一下

可调式精密并联稳压器TL431
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，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。

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 。
通用光电耦合器PC817
特点:
1. 电流传输比 CTR:IF=5mA,VCE=5V时最小值为 50%
2. 输入和输出之间的隔绝电压高Viso(rms):5.0 KV
普通光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。
PC817光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。其内部框图如图所示。

PC817的基本参数如下表：

TL431 和PC817配合使用
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，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：

R13 的取值，R13 的值不是任意取的，要考虑两个因素：
1)TL431 参考输入端的电流，一般此电流为2uA 左右，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。
TL431 的死区电流为1mA，也就是R6 的电流接近于零时，也要保证431 有1mA，所以R3<=1.2V/1mA=1.2K 即可。除此以外也是功耗方面的考虑，R17 是为了保证死区电流的大小，R17可要也可不要，当输出电压小于7.5v 时应该考虑必须使用，原因是这里的R17 既然是提供TL431死区电流的，那么在发光二极管导通电压不足时才有用，如果发光二极管能够导通，就可以提供TL431 足够的死区电流，如果Vo 很低的时候，计算方法就改为R17=（Vo-Vk）/1mA（这里Vk=Vr-0.7=1.8v）； 当Vo=3.3V 时R17 从死区电流的角度看临界最大值R17=（3.3-1.8）/1mA=1.5k，从TL431 限流保护的角度看临界最小值为R17=（3.3-1.8）/100mA=15Ω。 当Vo 较高的时候，也就是Vo 大于Vk+Vd 的时候，也就是差不多7.5v 以上时，TL431 所需的死区电流可以通过发光二极管的导通提供，所以这是可以不用R17。
R6 的取值要保证高压控制端取得所需要的电流，假设用PC817（U1-B），其CTR=0.8-1.6,取低限0.8，要求流过光二极管的最大电流=6/0.8=7.5mA,所以R6 的值<=(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K,光二极管能承受的最大电流在50mA 左右，TL431 为100mA，所以我们取流过R6 的最大电流为50mA，R6>（15-2.5-1.3)/50=226 欧姆。要同时满足这两个条件：226 有的电路设计中增加提升低频增益电路，用一个电阻和一个电容串接于控制端和输出端，来压制低频（100Hz）纹波和提高输出调整率，即静态误差，牡电就是提升相位，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，当然最大只有90 度，但其频率很低时低频增益也会减低，一般放在带宽的1/5 初，约提升相位78 度。
流过U1-A 的电流Ic 的电流应在2－6mA 之间，开关脉宽调制会线性变化，因此PC817 三极管的电流Ice 也应在这个范围变化。而Ice 是受二极管电流If 控制的，我们通过PC817 的Vce 与If 的关系曲线(如图3 所示)可以正确确定PC817。

从图3 可以看出，当PC817 二极管正向电流If 在3mA 左右时，三极管的集射电流Ice 在4mA左右变化，而且集射电压Vce 在很宽的范围内线性变化。符合控制要求。因此可以确定选PC817 二极管正向电流If 为3mA。再看TL431的要求。从TL431 的技术参数知，Vka 在2.5V－37V 变化时，Ika 可以在从1mA 到100mA 以内很大范围里变化，一般选20mA 即可，既可以稳定工作，又能提供一部分死负载。因此只选3-5mA左右就可以了。
确定了上面几个关系后，那几个电阻的值就好确定了。根据TL431 的性能，R11、R13、Vo、Vr有固定的关系：Vo=(1+ R11/R13) Vr
式中，Vo 为输出电压，Vr 为参考电压，Vr＝2.50V，先取R13 值，例如R13＝10k，根据Vo 的值就可以算出R11 了。
再来确定R6 和R17。由前所述，PC817 的If 取3mA，先取R6 的值为470Ω，则其上的压降为Vr6＝If* R6,由PC817 技术手册知，其二极管的正向压降Vf 典型值为1.2V，则可以确定R17 上的
压降Vr17＝Vr17+Vf，又知流过R17 的电流Ir17＝Ika－If，因此R17 的值可以计算出来： R17=Vr17/ Ir17= (Vr6+Vf)/( Ika－If)
根据以上计算可以知道TL431 的阴极电压值Vka，Vka＝Vo’－Vr17，式中Vo’取值比Vo 大0.1－0.2V 即可。

举一个例子，Vo＝15V,取R13=10k，R11＝（Vo/Vr-1）R13=(12/2.5-1)*10=50K;取R6＝470Ω，If＝3mA，Vr6＝If* R6＝0.003*470＝1.41V；Vr17＝Vr1+Vf＝1.41+1.2＝2.61V;
取Ika =20mA，Ir17＝Ika－If＝20－3＝17，R17= Vr17/ Ir17=2.61/17=153Ω;
TL431 的阴极电压值Vka，Vka＝Vo’－Vr17=15.2-2.61=12.59V
结果：R6＝470Ω、R17＝150Ω、R11＝10KΩ、R13＝50K。

对于做过反激电源的朋友,PC817与TL431组成的反馈网络是最合适的了也是最简单的了.也是再熟悉不过的了,但是我想有些朋友也许对这个还有点误解. 不妨看看下面文章,不足之处还请指出.

对于图1的电路,就是要确定R1、R3、R5及R6的值.设输出电压Vo,辅助绕组整流输出电压为12V.该电路利用输出电压与TL431构成的基准电压比较,通过光电耦合器PC817二极管-三极管的电流变化去控制TOP管的C极,从而改变PWM宽度,达到稳定输出电压的目的.因为被控对象是TOP管,因此首先要搞清TOP管的控制特性.从TOPSwicth的技术手册可知流入控制脚C的电流Ic与占空比D成反比关系.

如图2所示.可以看出 Ic的电流应在2-6mA之间,PWM会线性变化,因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化.而Ice是受二极管电流If控制的,我们通过PC817的Vce与If的关系曲线(如图3所示)可以正确确定PC817二极管正向电流If.从图3可以看出,当PC817二极管正向电流If在3mA左右时,三极管的集射电流Ice在4mA左右变化,而且集射电压Vce在很宽的范围内线性变化.符合TOP管的控制要求.

再看TL431的要求.从TL431的技术参数知,Vka在2.5V-37V变化时,Ika可以在从1mA到100mA以内很大范围里变化,
确定了上面几个关系后,那几个电阻的值就好确定了.
R6的取值,R6的值不是任意取的,要考虑两个因素:1)431参考输入端的电流,一般此电流为2uA左右,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R6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.
431要求有1mA的工作电流,也就是R1的电流接近于零时,也要保证431有1mA,所以R3<=1.2V/1mA=1.2K即可.除此以外也是功耗方面的考虑.
R1的取值要保证TOP控制端取得所需要的电流,假设用PC817A,其CTR=0.8-1.6,取低限0.8,要求流过光二极管的最大电流=6/0.8=7.5mA,所以R1的值<=(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K,光二极管能承受的最大电流在50mA左右,431为100mA,所以我们取流过R1的最大电流为50mA,R1>(15-2.5-1.3)/50=226欧姆.要同时满足这两个条件:226<R1<1.5K;除此以外,R1的值影响开环的增益,传递函数R1在分母上,R1的具体取值在满足上面范围的情况下由环路设计决定. style="WIDOWS: 2; TEXT-TRANSFORM: none; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); TEXT-INDENT: 0px; LETTER-SPACING: normal; FONT: 14px/28px verdana, tahoma, arial, sans-serif; WORD-WRAP: break-word; WHITE-SPACE: normal; ORPHANS: 2; COLOR: rgb(51,51,51); WORD-BREAK: break-all; WORD-SPACING: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"
R5的取值上面的计算没有什么问题.
R5C4形成一个在原点的极点,用于提升低频增益,来压制低频(100Hz)纹波和提高输出调整率,即静态误差,R4C4形成一个零点,来提升相位,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,R4C4的频率越低,其提升的相位越高,当然最大只有90度,但其频率很低时低频增益也会减低,一般放在带宽的1/5初,约提升相位78度.
这就是431取样补偿部分除补偿网络以外其他元件值的完整的计算方法,对初级任何控制IC都使用,</R1

作者:李升元

在TOP 及3842等单端反激电路中的反馈电路很多都采用TL431,PC817作为参考、隔离、取样.现以TOPSwicth典型应用电路来说明TL431,PC817的配合问题.其电路如图1所示.



对于图1的电路,就是要确定R1、R3、R5及R6的值.设输出电压Vo,辅助绕组整流输出电压为12V.该电路利用输出电压与TL431构成的基准电压比较,通过光电耦合器PC817二极管-三极管的电流变化去控制TOP管的C极,从而改变PWM宽度,达到稳定输出电压的目的.因为被控对象是TOP管,因此首先要搞清TOP管的控制特性.从TOPSwicth的技术手册可知流入控制脚C的电流Ic与占空比D成反比关系.如图2所示.可以看出,



Ic的电流应在2-6mA之间,PWM会线性变化,因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化.而Ice是受二极管电流If控制的,我们通过PC817的Vce与If的关系曲线(如图3所示)可以正确确定PC817二极管正向电流If.从图3可以看出,当PC817二极管正向电流If在3mA左右时,三极管的集射电流Ice在4mA左右变化,而且集射电压Vce在很宽



的范围内线性变化.符合TOP管的控制要求.因此可以确定选PC817二极管正向电流If为3mA.再看TL431的要求.从TL431的技术参数知,Vka在2.5V-37V变化时,Ika可以在从1mA到100mA以内很大范围里变化,一般选20mA即可,既可以稳定工作,又能提供一部分死负载.不过对于TOP器件因为死负载很小,只选3-5mA左右就可以了.
确定了上面几个关系后,那几个电阻的值就好确定了.根据TL431的性能,R5、R6、Vo、Vr有固定的关系:Vo=(1+ R5/R6) Vr
式中,Vo为输出电压,Vr为参考电压,Vr＝2.50V,先取R6一个值,例如R6＝10k,根据Vo的值就可以算出R5了.
再来确定R1和R3.由前所述,PC817的If取3mA,先取R1的值为470Ω,则其上的压降为Vr1＝If* R1,由PC817技术手册知,其二极管的正向压降Vf典型值为1.2V,则可以确定R3上的压降Vr3＝Vr1+Vf,又知流过R3的电流Ir3＝Ika-If,因此R3的值可以计算出来: R3= Vr3/ Ir3= (Vr1+Vf)/( Ika-If)
根据以上计算可以知道TL431的阴极电压值Vka,Vka＝Vo’-Vr3,式中Vo’取值比Vo大0.1-0.2V即可.
举一个例子,Vo＝15V,取R6=10k,R5＝(Vo/Vr-1)R6=(12/2.5-1)*10=50K;取R1＝470Ω,If＝3mA,Vr1＝If* R1＝0.003*470＝1.41V;Vr3＝Vr1+Vf＝1.41+1.2＝2.61V;
取Ika =20mA,Ir3＝Ika-If＝20-3＝17,R3= Vr3/ Ir3=2.61/17=153Ω;
TL431的阴极电压值Vka,Vka＝Vo’-Vr3=15.2-2.61=12.59V
结果:R1＝470Ω、R3＝150Ω、R5＝10KΩ、R6＝50K