功率轉(zhuǎn)換器的光耦合器及反饋回路

設(shè)計功率轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)

主要原因之一即在于電路板的空間有限。若要縮小轉(zhuǎn)換器的外型尺寸，就必須提高頻率。這樣做能夠使用較小的元件。通過將切換頻率提高及讓轉(zhuǎn)換器的實體尺寸縮小，整體的效率需求也會提高。

輸出電壓降低時，功率級會增加，讓負載的頻率速度得以加快，這會造成輸出電流量提高。當負載以較高的頻率動態(tài)變化，控制回路必須保持不變。即使采用所有這些節(jié)省空間的規(guī)劃，未來在功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計上仍有其他挑戰(zhàn)。

其中一項挑戰(zhàn)是控制回路。若要處理更高的負載動態(tài)(load dynamics)，并善用更小的元件優(yōu)勢，就需要更快速的控制回路。對于過去較慢的切換頻率來說，3kHz的范圍已經(jīng)夠好了，但當切換頻率增加到200kHz以上，設(shè)計人員就會需要在比3kHz范圍還大很多的頻率下交越0dB增益點。對于最不理想的線路及負載條件，200kHz供應(yīng)的上限(根據(jù)可接受的理論值)為40kHz。

以此相對較高的頻率交越0dB增益，可讓設(shè)計人員使用較小的輸出電容，即使較高動態(tài)負載出現(xiàn)變化也是這樣。這是因為當增益交越(gain crossover)提高，轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)會加快，而且輸出電容不需要在負載瞬時期間長時間保持電壓。控制電路會調(diào)整傳輸功率，以補償及控制輸出電壓，而且不需要仰賴輸出電容來對負載或線路瞬時進行控制。此外，磁性元件因為切換頻率增加而縮小，因此節(jié)省更多的空間。

當然，其中也有一些缺點。使用傳統(tǒng)的電路時，切換耗損會增加，不過，設(shè)計更精良的元件已大幅減少切換耗損。

使用準諧振拓樸，例如含UCC3895之類控制器的相移全橋式拓樸，有助于減少切換耗損。在許多設(shè)計中，二次側(cè)的同步切換所產(chǎn)生的效用相當顯著。

磁性元件、開關(guān)及輸出電容都會以頻率函數(shù)關(guān)系來影響控制對輸出的增益。反饋控制有其本身的挑戰(zhàn)，而且反饋電路的寄生電容是更為重要的因素。

在這些較高的頻率下，寄生電容成為一大問題。進行低頻率切換時，0dB交越約在5kHz或5kHz以下的頻率附近，而反饋回路中的寄生電容主要與配置有關(guān)。然而，當進行30kHz交越設(shè)計時，會有其他因素造成問題，其中一項因素便是本文的主題。

最近筆者在一個轉(zhuǎn)換器上遭遇到這個特殊的問題，這個轉(zhuǎn)換器以400kHz運作，并且采用一次側(cè)使用控制IC(UCC3895)而二次側(cè)感應(yīng)輸出的相移設(shè)計。

設(shè)計人員當初使用光耦合器來跨越一次側(cè)對二次側(cè)的隔離阻障，一開始似乎一切都已經(jīng)考慮周詳，不過，回路因為某種原因而變得不穩(wěn)定，而且在維持DC設(shè)定點時，輸出發(fā)生低程度的振蕩。

當然我們的設(shè)計人員檢查過計算過程，但是沒有發(fā)現(xiàn)任何明顯的因素。然后，設(shè)計人員將轉(zhuǎn)換器設(shè)定為在出現(xiàn)AC鏈波的DC狀態(tài)下保持穩(wěn)定，并且開始探究電路。

經(jīng)過一段長時間的努力，發(fā)現(xiàn)雖然二次側(cè)的錯誤放大器確實重現(xiàn)了出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器輸出端的漣波，并具有正確的180度相位變化，但來自光耦合器的信號卻比頻率約為35 kHz的預(yù)期相位偏移了大約45度。這足以移除交越的相位容限(phase margin)，而導(dǎo)致所觀測到的振蕩。圖1顯示這三個波形。

光耦合器數(shù)據(jù)表未提及這一相移，但發(fā)現(xiàn)這樣的效應(yīng)使得設(shè)計人員想起光耦合器會在較高頻率的情況下產(chǎn)生極點。在查閱不同光耦合器的數(shù)據(jù)表后，并未發(fā)現(xiàn)其中提及因為頻率作用所造成的相移。于是進行了進一步調(diào)查，并制作一個測試電路來檢查整個光耦合器之中增益與相位的關(guān)系。圖2顯示此電路，其中使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量數(shù)據(jù)。

設(shè)計人員使用圖2顯示的電路進行第一次測試，然后針對通過電阻器時所產(chǎn)生的相位和增益，繪制出相關(guān)于頻率的變化圖。圖3為測試的結(jié)果，而此測試在可調(diào)變的DC電源端使用的是4.3伏特的電壓。設(shè)計人員使用跨越R1和R2的電壓來建立這些相移。

圖3 光耦合器受測回路的相位和增益相關(guān)于頻率的關(guān)系圖

當相移45度且增益下降3dB時，極點的頻率約為35kHz，這便解釋了之前觀測到的現(xiàn)象。這個耦合器在我們關(guān)心的頻率之外，也出現(xiàn)其他復(fù)雜的極點與零點，不過與此分析沒有關(guān)聯(lián)，于是不加理會。

設(shè)計人員將測試電路的DC電壓增加到11V，并且重復(fù)測量類似的結(jié)果。極點并未隨著光耦合器的增大電流而明顯變化。

圖4 光耦合器較高電流的相位/增益測試

接著設(shè)計人員嘗試在4kΩ電阻加上1.2nF電容，以補償極點。設(shè)計人員依序在兩個電流量重復(fù)相同的測試，而這在35kHz產(chǎn)生零點，有助于補償光耦合器的極點。

圖5 在35 kHz增加零點的結(jié)果

在這兩種情況下，這作法都能有效地移動相移，當頻率超過100kHz時，它會跨越135度的相移點，并在超過200kHz時，其增益會維持在大于3dB以上。

然后設(shè)計人員對功率轉(zhuǎn)換器嘗試相同的程序，接著在轉(zhuǎn)換器的光耦合器電路中增加零點，使光耦合器在整個線路及負載范圍保持穩(wěn)定。

結(jié)論

如果設(shè)計人員計劃在頻率超過8kHz且具有0dB交越的封閉反饋回路中使用光耦合器，必須先測試光耦合器，以了解其中的相位及增益特性。如果無法使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，可制作如圖6所示的簡易電路。這有助于設(shè)計人員以簡易的元件、具DC偏移功能的變頻信號產(chǎn)生器及電源供應(yīng)器來辨識相位及增益。

將恒定振幅AC電流信號注入LED (在整個R1測得的電壓)，并且測量從光敏晶體管流出的電流(整個R2的電壓)，即可通過光敏晶體管所流出電流的振幅及相對相位了解極點的位置。在低頻率的情況下，CTR會造成電流差異，不過，只要頻率增加，通過晶體管的電流便會減少。將AC信號頻率增加到光敏晶體管AC信號振幅為其先前值一半的程度時，即可辨識出極點頻率。通過這項信息，即可計算出需要哪些元件才能在反饋回路增加零點。

圖6 測試電路示意圖

如果這些結(jié)果顯示在0dB交越前電路運作范圍內(nèi)頻率的情況下出現(xiàn)不需要的極點，則在連接LED電路的串聯(lián)中增加零點可補償及重新測試光耦合器。當然，這個最終的測試是在運作的轉(zhuǎn)換器中進行。