高頻功率轉換器的光耦合器及反饋回路
John Bo
德州儀器資深應用工程師
摘要： 如果設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。如果無法使用網絡分析儀，可制作如圖6所示的簡易電路。這有助于設計人員以簡易的元件、具DC偏移功能的變頻信號產生器及電源供應器來辨識相位及增益。
Abstract：
Key words :
長久以來，設計功率轉換器的挑戰層出不窮，主要原因之一即在于電路板的空間有限。若要縮小轉換器的外型尺寸，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變化，控制回路必須保持不變。即使采用所有這些節省空間的規劃，未來在功率轉換器的設計上仍有其他挑戰。
其中一項挑戰是控制回路。若要處理更高的負載動態（load dynamics），并善用更小的元件優勢，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的范圍已經夠好了，但當切換頻率增加到200kHz以上，設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供應的上限(根據可接受的理論值)為40kHz。
以此相對較高的頻率交越0dB增益，可讓設計人員使用較小的輸出電容，即使較高動態負載出現變化也是這樣。這是因為當增益交越（gain crossover）提高，轉換器的響應會加快，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，因此節省更多的空間。
當然，其中也有一些缺點。使用傳統的電路時，切換耗損會增加，不過，設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。在許多設計中，二次側的同步切換所產生的效用相當顯著。
磁性元件、開關及輸出電容都會以頻率函數關系來影響控制對輸出的增益。反饋控制有其本身的挑戰，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。然而，當進行30kHz交越設計時，會有其他因素造成問題，其中一項因素便是本文的主題。
最近筆者在一個轉換器上遭遇到這個特殊的問題，這個轉換器以400kHz運作，并且采用一次側使用控制IC(UCC3895)而二次側感應輸出的相移設計。
設計人員當初使用光耦合器來跨越一次側對二次側的隔離阻障，一開始似乎一切都已經考慮周詳，不過，回路因為某種原因而變得不穩定，而且在維持DC設定點時，輸出發生低程度的振蕩。
當然我們的設計人員檢查過計算過程，但是沒有發現任何明顯的因素。然后，設計人員將轉換器設定為在出現AC鏈波的DC狀態下保持穩定，并且開始探究電路。
經過一段長時間的努力，發現雖然二次側的錯誤放大器確實重現了出現在轉換器輸出端的漣波，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），而導致所觀測到的振蕩。圖1顯示這三個波形。
圖1 顯示通過光耦合器的相移
光耦合器數據表未提及這一相移，但發現這樣的效應使得設計人員想起光耦合器會在較高頻率的情況下產生極點。在查閱不同光耦合器的數據表后，并未發現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系。圖2顯示此電路，其中使用網絡分析儀來測量數據。
圖2 用來獲得通過受測光耦合器的增益與相位的測試電路。
設計人員使用圖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生的相位和增益，繪制出相關于頻率的變化圖。圖3為測試的結果，而此測試在可調變的DC電源端使用的是4.3伏特的電壓。設計人員使用跨越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于頻率的關系圖
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象。這個耦合器在我們關心的頻率之外，也出現其他復雜的極點與零點，不過與此分析沒有關聯，于是不加理會。
設計人員將測試電路的DC電壓增加到11V，并且重復測量類似的結果。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
接著設計人員嘗試在4kΩ電阻加上1.2nF電容，以補償極點。設計人員依序在兩個電流量重復相同的測試，而這在35kHz產生零點，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。
然后設計人員對功率轉換器嘗試相同的程序，接著在轉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定。
結論
如果設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。如果無法使用網絡分析儀，可制作如圖6所示的簡易電路。這有助于設計人員以簡易的元件、具DC偏移功能的變頻信號產生器及電源供應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
如果這些結果顯示在0dB交越前電路運作范圍內頻率的情況下出現不需要的極點，則在連接LED電路的串聯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換器中進行。
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