开关电源反馈环路重要参数设计，PC817和TL431实例计算和取值详解

author：小高霸气
data:2021.04.16

下面介绍开关电源重要的反馈电路PC817和TL431设计和应用。
在开关电源当中，对稳压反馈电路的设计通常会使用TL431和PC817来配合使用。在TOP 及3842等单端反激电路中的反馈电路很多都采用TL431和PC817作为参考、隔离、取样。现以典型应用电路来说明开关电源反馈电路TL431和PC817取值、设计、计算。使开关电源反馈电路能稳定可靠地工作。

开关电源电路简图
一：占空比与控制电流
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，如下图所示。

TOPSwicth占空比与控制电流关系图
二：光电耦合器集射电压与正向电流
PC817光电耦合器广泛用在开关电源、LED电源、LED驱动器、影印机、自动售票、家用电器、测量仪器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，简化电路设计。
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。

PC817：Vce与If关系曲线
PC817二极管正向电流If可以确定为3mA，If=3mA。
三：光电耦合器与TL431取值
TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替稳压二极管，例如，开关电源、LED电源、LED驱动器、可调压电源、数字电压表、运放电路等。
TL431电压基准器，基准电压2.5V，通过取样电阻取样后与基准电压进行比较，比较的结果通过PC817进行工作，控制开关管进行开关动作。
从TL431的技术参数查到：
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，R4、R5、R7、R8这4个关键电阻值就可以计算出来了。
根据TL431的性能，R7、R8、Vo、Vr有固定的关系：
Vo=(1+ R7/R8) Vr
式中，Vo为输出电压，Vr为参考电压，Vr＝2.50V。
四：实例计算与取值
R8电阻取值参考：
TL431参考输入端电流一般为2uA左右，为了避免参考输入端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R6的电流为参考输入端的100倍以上，以就是200uA。
所以R8电阻要小于2.5V/200uA=12.5K。
如果待机功耗有要求，建议在满足小于12.5K的情况下尽量取大值。
在这里R8取值为10K。
根据Vo的值就可以算出R7了。
例如：输出电压Vo=10V
1：先计算R7电阻值：
R7＝（Vo/Vr-1）R8
R7＝(10/2.5-1)10
R7=30K
2：再计算R4和R5电阻值：
R4电阻取值参考：
TL431要求有1mA的工作电流，也就是R4的电流接近于零时，也要保证TL431有1mA。
所以R5≤1.2V/1mA=1.2K即可。
R4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，要求流过光耦二极管的最大电流为 6/0.8=7.5mA。
所以R4的值≤(10-2.5-1.2)/7.5=840Ω，光耦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R4的电流为21mA。
R4=(10-2.5-1.2)/21=300Ω;
则R4的压降为VR4＝If R1。
VR4＝If* R4＝0.003*300＝0.9V；
查PC817技术手册，其光耦二极管的正向压降Vf典型值为1.2V，则可以确定R5上的压降VR5＝VR4+Vf。
VR5＝VR4+Vf＝0.9+1.2＝2.1V;
又知流过R5的电流IR5＝Ika－If，因此R5的值可以计算出来：
R5= Vr5/ Ir5= (Vr4+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。
取Ika =20mA。
IR5＝Ika－If＝20－3＝17;
R5= VR5/ IR5=2.1/17=123Ω≈120Ω
TL431的阴极电压值Vka，Vka＝Vo’－VR3=10.2-2.61=7.59V;
结果：R4＝300Ω、R5＝120Ω、R7＝30KΩ、R8＝10K。
3：输出电压计算
Vo=(1+ R7/R8) Vr
Vo=（1+30/10）2.5
Vo=10V
五：R6、C7元件作用和取值
为了提升低频上的增益以及压制低频波纹，就需要R6、C7制造一个原点上的极点。也就是静态误差，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，R6、C7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处，约提升相位78度。
一般R6电阻参考取值为：10K，C7电容参考取值：104（0.1uf)。