光电耦合器在开关电源技术中的应用

时 勇，蒋晓冬，刘承鑫，沙 斌

（国网上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201499）

0 引 言

在开关电器中，光电耦合器（Optical Coupler，OC）十分常见，其可以具体划分为线性和非线性两类，不同种类的光电耦合器在电流传输特点和用途等方面存在一定差异。通常情况下，线性光电耦合器输送电流的形式为直线式，信号的稳定性较差，而非线性光电耦合器的作用主要是传递开关信号。为此，在实际的应用过程中必须要结合现实需求选择合理的光电耦合器类型，以此提升电源的负载能力。

1 光电耦合器的工作原理

在电信号的传输中，光作为一种载体发挥着至关重要的作用，光电耦合器不仅能够确保信号传输的稳定性，还具备了适用范围广的特点。光电耦合器的类型多样，能够在不同需求下为开关电源技术提供强力支撑，主要由发射器、接收器以及信号放大装置等组成，依托于各个设备器件共同作用，以此实现电信号的有效传播。事实上，在电信号的输出过程中，本身受到的外界干扰因素较少，且具有一定的绝缘效果[1]。

2 开关电源常见的光电耦合器反馈接法

开关电源中光电耦合器的反馈接法如图1所示。

图1 光电耦合器反馈接法图

图中，Uo表示输出电压，Ud表示供电电压，com表示误差放大器输出脚。光电耦合器隔离的左右两侧分别为输出电压地和芯片供电电压地[2]。

3 光电耦合器TLP521特性曲线分析

光耦反馈接法比较前，需要对光耦特性曲线分析，特性曲线如图2所示。

图2 光电耦合器特性曲线

立足于不同连接方式，分析多方面影响因素，深刻了解光电耦合器的作用，并把握其在不同情境下的应用可行性。针对反馈接法来说，其位置是动态化的，实际的选择较为自由，在应用过程中外接电阻具有至关重要的作用[3]。

4 开关电源光电耦合器的选型

在设计的时候，设计人员应多方面考虑影响因素，确保开关电源的实用性和安全性。结合现实需求，合理选择型号，并合理调整参数，可以依据如下原则。（1）确保电流传输比在合理范围内。当CTR低于50%时，应在光电耦合器中调节参数，使得工作电流增大，以此减少能耗。如果启动电路发生改变或者负载出现变化以及有不同程度的外接干扰信号，则可能造成开关电源误触发，给正常的输出工作造成影响[4]。（2）电流传输比可做线性调整。选择线性光电耦合器时，其电流传输的比值可以结合现实需求做出调整。处于不同的工作环境之下，设计人员可通过改变系统参数，有效保证电路输出的可靠性。目前，4N系列光电耦合器大部分都呈现开关特性，线性度较差，在使用过程中虽然能够满足相关要求，如传输数字信号高、低电平，但是可靠性较低。（3）与编码器匹配。PLC或者控制器的高速计数口有的只能接收PNP信号，所以必须要让二者的计数口相匹配，这样才能确保信号接收的畅通顺利[5]。

5 电路中光电耦合器的影响因素及解决措施

5.1 影响因素

5.1.1 温 度

光电耦合器属于电流转移器件，在光电流的控制下，它和双极型晶体管在输出特征方面几乎一致，兼具电隔离功能，可以将其作为放大器使用。与此同时，其线性工作范围覆盖面积较小，在不同的温度变化下，发射的电流系数也不一样。

5.1.2 电 容

光电耦合器在实际使用过程中必须要充分考虑电容带来的影响，若不加以考虑，则开关电源技术在具体的应用过程中就会出现或多或少的问题，如速度减慢和灵敏度降低等[6,7]。

5.2 消除措拖

5.2.1 采用负反馈电路消除温度影响

由于静态操作与晶体管放大电路之间存在一定的联系，因此工作人员需在把握二者关系的基础上实施温度控制，确保温度数值处于稳定状态。通过使用负反馈电路使得共发射极电流传递系数得到改变时，集电极反向饱和电流也会相应改变。

5.2.2 采用负反馈电路消除电容影响

设计人员可以在合适的位置上增加正反馈电路，并适当提高导通电压，有效缩减开关时间，消除电容带来的负面影响，使开关电源器件更加灵敏。

6 开关电源中光电耦合器的应用

在开关电源技术的应用过程中，为了充分发挥光电耦合器的效用，工作人员必须要充分把握二者的应用原理，结合现实需求展开分析，发挥光电耦合器的优势，以此降低外界干扰因素，为其优质化应用提供良好的条件。如果高频变压器二次负载过载，或者是开关电路工作不够顺利，则光电耦合器不能正常工作。从另一个角度来说，一旦光电耦合器电源非正常运行，则起振现象仅在理论层面显现，开关光源技术实践中难以提高起振有效性。光电耦合器可以将光信号转换为电信号进行传输，输入端为发光二极管。工作人员在总结分析光电耦合器的输入特性时，可以先描述发光二极管的伏安特性，再总结光电耦合器的输入规律，以此提高分析结果的准确性。光电耦合器的输出端为光敏三极管，可以根据其伏安特性推理得出光耦输出端的输出特性。

光耦的工作区域细分为多种类型，在不同工作区域的效能有显著差异。确认存在非线性工作区后，直接用于传输模拟量，精度较差。综合分析两个光电耦合器（T1、T2）和两个射极跟随器（A1、A2），如果二者同型号同批次，则T1和T2的非线性传输特性相同，即K1(I1)=K2(I1)[8,9]。

7 光电耦合器在开关电源技术应用的前景及未来趋势

电子技术的飞速发展，使得开关电源技术水平得到不断提升。开关电源由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）控制IC和MOSFET组成，为了确保开关电源技术在实际的应用中处于稳定，光电耦合器是不可忽视的一环。在未来的发展趋势中，配合智能化技术，开关电源的特点会逐渐演化为小型化、轻量化以及便携式。要想在保证电流电压传输稳定的基础上，进一步扩大其应用范围，设计人员就应站在用户角度上，充分分析相关影响因素，发挥出光电耦合器的应用优势，推动开关电源技术的正向发展，从而推动应用更加智能化，提升用户满意度。与此同时，设计人员还要采取有效措施，提高功率密度和电源转换效率等，促使光电耦合器朝着高速化与高性能的方向发展[10]。

8 结 论

光电耦合器不仅在电路中起着隔离作用，还能保护开关管。为此，光电耦合器作为开关电源电路中的重要组成，通过深入探讨和把握其应用原理和影响因素，充分了解其优势，并加大对其应用实践的探索，对于未来的应用具有重要意义。