關(guān)鍵詞：精密并聯(lián)穩(wěn)壓器；光耦合器；線性；EMI濾波器；電網(wǎng)噪聲

在研制開(kāi)關(guān)電源時(shí)，不僅要設(shè)計(jì)好電路，還必須能正確選擇元器件。單片開(kāi)關(guān)電源的外圍元器件大致可分成三大類：

1）通用元器件包括電阻、電容、整流橋或整流管、穩(wěn)壓管、熔斷器、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。

2）特種半導(dǎo)體器件主要有TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器、EMI濾波器、光耦合器、瞬態(tài)電壓抑制器、快恢復(fù)及超快恢復(fù)二極管、肖特基二極管。

3）磁性材料如高頻變壓器磁芯、電磁線（漆包線、三重絕緣線）、磁珠。

下面介紹7種關(guān)鍵元器件的工作原理與選擇方法。

1TL431型可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器

TL431是由美國(guó)德州儀器公司（TI）和摩托羅拉公司生產(chǎn)的2.50～36V可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。其性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，可廣泛用于單片精密開(kāi)關(guān)電源或精密線性穩(wěn)壓電源中。此外，TL431還能構(gòu)成電壓比較器、電源電壓監(jiān)視器、延時(shí)電路、精密恒流源等。目前在單片精密開(kāi)關(guān)電源中，普遍用它來(lái)構(gòu)成外部誤差放大器，再與線性光耦合器組成隔離式光耦反饋電路。 TL431系列產(chǎn)品包括TL431C、TL431AC、TL431I、TL431AI、TL431M、TL431Y，共6種型號(hào)。它屬于三端可調(diào)式器件，利用兩只外部電阻可設(shè)定2.50～36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。TL431的電壓溫度系數(shù)αT=30×10－6／℃（即30ppm／℃）。其動(dòng)態(tài)阻抗低，典型值為0.2Ω。陰極工作電壓UKA的允許范圍是2.50～36V，陰極工作電流IKA=1～100mA。TL431大多采用DIP?8或TO?92封裝形式，管腳排列分別如圖1（a）及圖1（b）所示。圖中，A為陽(yáng)極，使用時(shí)需接地。K為陰極，需經(jīng)限流電阻接正電源。UREF是輸出電壓Uo的設(shè)定端，外接電阻分壓器。NC為空

（a）電路符號(hào)（b）基本接線

圖2TL431的電路符號(hào)與基本接線

腳。TL431的等效電路見(jiàn)圖1（c），主要包括4部分：

1）誤差放大器A，其同相輸入端接從電阻分壓器上得到的取樣電壓，反相輸入端則接內(nèi)部2.50V基準(zhǔn)電壓Uref，并且設(shè)計(jì)的UREF=Uref，UREF端常態(tài)下應(yīng)為2.50V，因此亦稱基準(zhǔn)端；

2）內(nèi)部2.50V（準(zhǔn)確值應(yīng)為2.495V）基準(zhǔn)電壓源Uref；

3）NPN型晶體管VT，它在電路中起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用；

4）保護(hù)二極管VD，可防止因K?A間電源極性接反而損壞芯片。TL431的電路符號(hào)和基本接線如圖2所示。它相當(dāng)于一只可調(diào)式齊納穩(wěn)壓管，輸出電壓由外部精密電阻R1和R2來(lái)設(shè)定，有公式

Uo=UKA=（1＋R1／R2）（1）

R3是IKA的限流電阻。TL431的穩(wěn)壓原理可分析如下：當(dāng)由于某種原因致使Uo↑時(shí)，取樣電壓UREF也隨之升高，使UREF>Uref，比較器輸出高電平，令VT導(dǎo)通，Uo↓。反之，Uo↓→UREF↓→UREFTL431可廣泛用于單片開(kāi)關(guān)電源中，作為外部誤差放大器，構(gòu)成光耦反饋式電路。其工作原理是當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)電阻分壓后得到的取樣電壓就與TL431中的2.5V帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流IF產(chǎn)生相應(yīng)變化，再通過(guò)光耦去改變控制端電流IC的大小，調(diào)節(jié)TOPSwitch的輸出占空比，使Uo不變，達(dá)到穩(wěn)壓目的。

2線性光耦合器

光耦合器（OpticalCoupler）簡(jiǎn)稱光耦。它是以光為媒介來(lái)傳輸電信號(hào)的器件。通常是把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。普通光耦合器只能傳輸數(shù)字（開(kāi)關(guān)）信號(hào)，不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光耦合器是一種新型光電隔離器件，它能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或模擬電流信號(hào)，使其應(yīng)用領(lǐng)域大為拓寬。 線性光耦與普通光耦的重要區(qū)別反映在電流傳輸比（CTR）上。CTR是光耦的重要參數(shù)，通常用直流電流傳輸比來(lái)表示。當(dāng)輸出電壓保持恒定時(shí)，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。有公式CTR=×100％（2）

采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20％～300％（例如4N35），而PC817則為80％～160％。達(dá)林頓型光耦（如4N30）可達(dá)100％～5000％。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。線性光耦與普通光耦典型的CTR?IF特性曲線，分別如圖3中的虛線和實(shí)線所示。由圖可見(jiàn)，普通光耦的CTR?IF特性曲線呈非線性，在IF較小時(shí)的非線性失真尤為嚴(yán)重，因此它不適合傳輸模擬信號(hào)。線性光耦的CTR?IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號(hào)時(shí)，其交流電流傳輸比（ΔCTR=ΔIC／ΔIF）很接近于直流電流傳輸比CTR值，因此它適合傳輸模擬電壓或電流信號(hào)，能使輸出與輸入之間呈線性關(guān)系。這是其重要特性。

線性光耦的典型產(chǎn)品及主要參數(shù)見(jiàn)表1，這些光耦均以光敏三極管作為接收管。在設(shè)計(jì)光耦反饋式開(kāi)關(guān)電源時(shí)必須正確選擇線性光耦合器的型號(hào)及參數(shù)，選取原則如下：

圖3兩種光耦的CTR?IF特性曲線

()

技術(shù)講座

(d)

(a)

(b)

(c)

圖4單片開(kāi)關(guān)電源常用的四種EMI濾波器

表1線性光的產(chǎn)品型號(hào)及主要參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)CTR/％U（BR）CEO/V國(guó)外生產(chǎn)廠家封裝形式
PC816A80～16070SharpDIP?4（基極未引出）
PC817A80～16035Sharp
SFH610A?263～12570Siemens
NEC2501?H80～16040NEC
CNY17?263～12570Motorola,Siemens,ToshibaDIP?6（基極引出）
CNY17?3100～20070Motorola,Siemens,Toshiba
SFH600?163～12570Siemens,Isocom
SFH600?2100～20070Siemens,Isocom
CNY75GA63～12590TemicDIP?6（基極未引出）
CNY75GB100～20090Temic
MOC810150～8030Motorola,Isocom
MOC810273～11730Motorola,Isocom

1）光耦的電流傳輸比（CTR）的允許范圍是50％～200％。這是因?yàn)楫?dāng)CTR<50％時(shí)，光耦中的LED需要較大的工作電流（IF>5.0mA），才能正?？刂茊纹_(kāi)關(guān)電源的占空比，這會(huì)增大光耦的功耗。若CTR>200％，在啟動(dòng)電路或者當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)，有可能將單片開(kāi)關(guān)電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。

2）推薦采用線性光耦，其特點(diǎn)是CTR值能夠在一定范圍內(nèi)做線性調(diào)整。

3）由英國(guó)埃索柯姆（Isocom）公司、美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的4N××系列（例如4N25、4N26、4N35）光耦合器，目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現(xiàn)開(kāi)關(guān)特性，其線性度差，只適宜傳輸數(shù)字信號(hào)（高、低電平），因此不推薦用在開(kāi)關(guān)電源中。

3電磁干擾濾波器

電磁干擾濾波器亦稱EMI濾波器，它能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性，可廣泛用于電子測(cè)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開(kāi)關(guān)電源、測(cè)控系統(tǒng)等領(lǐng)域。電網(wǎng)噪聲是電磁干擾的一種，屬于射頻干擾（RFI），其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz～30MHz，最高可達(dá)150MHz。根據(jù)傳播方向的不同，電網(wǎng)噪聲可分為兩大類：一類是從電源進(jìn)線引入的外界干擾，另一類是由電子設(shè)備產(chǎn)生并經(jīng)電源線傳導(dǎo)出去的噪聲。這表明它屬于雙向干擾信號(hào)，電子設(shè)備既是噪聲干擾的對(duì)象，又是一個(gè)噪聲源。若從形成特點(diǎn)看，噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。串模干擾是兩條電源線之間（簡(jiǎn)稱線對(duì)線）的噪聲，共模干擾則是兩條電源線對(duì)大地（簡(jiǎn)稱線對(duì)地）的噪聲。因此，電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性（EMC）的要求，也必須是雙向射頻濾波器，一方面要濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免設(shè)備本身向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其它電子設(shè)備的正常工作。此外，電磁干擾濾波器應(yīng)對(duì)串模、共模干擾都起到抑制作用。 為減小體積和降低成本，單片開(kāi)關(guān)電源一般采用簡(jiǎn)易式單級(jí)EMI濾波器，主要包括共模扼流圈L和濾波電容。典型電路如圖4所示。以圖4（c）為例，L、C1和C2用來(lái)濾除共模干擾，C3和C4濾除串模干擾。當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí)，由于L中兩個(gè)線圈的磁通方向相同，經(jīng)過(guò)耦合后總電感量迅速增大，因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗，使之不易通過(guò)，故稱作共模扼流圈。它的兩個(gè)線圈分別繞在低損耗、高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁環(huán)上。R為泄放電阻，可將C3上積累的電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進(jìn)線端L、N不帶電，保證使用的安全性。EMI濾波器能有效抑制單片開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾。圖5中曲線a為不加EMI濾波器時(shí)開(kāi)關(guān)電源上0.15MHz～30MHz傳導(dǎo)噪聲的波形（即電磁干擾峰值包絡(luò)線）。曲線b是插入如圖3（d）所示EMI濾波器后的波形，它能將電磁干擾衰減50～70dB。顯然，這種EMI濾波器的效果更佳。

插入損耗（AdB）是EMI濾波器的重要參數(shù)。它是

利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)單片開(kāi)關(guān)電源講座（第七講）

圖5加EMI濾波器前、后干擾波形的比較

（a）插入前

（b）插入后

圖6測(cè)量插入損耗的電路

評(píng)價(jià)電磁干擾濾波器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。設(shè)電磁干擾濾波器插入前后傳輸?shù)截?fù)載上的噪聲電壓分別為U1、U2，有公式AdB=20lg（3）

插入損耗用分貝（dB）表示，分貝值愈大，說(shuō)明抑制噪聲干擾的能力愈強(qiáng)。測(cè)量插入損耗的電路如圖6所示。e是噪聲信號(hào)發(fā)生器，Zi是信號(hào)源的內(nèi)部阻抗，ZL是負(fù)載阻抗，一般取50Ω。噪聲頻率范圍可選10kHz～30MHz。首先要在不同頻率下分別測(cè)出插入EMI濾波器前后，負(fù)載兩端的噪聲壓降U1、U2，再代入式（3）中計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)的AdB值，最后繪出插入損耗曲線。需要指出，上述測(cè)試方法比較繁瑣，每次都要拆裝EMI濾波器。為此可用電子開(kāi)關(guān)對(duì)兩種測(cè)試電路進(jìn)行快速切換。

參考文獻(xiàn)

[1]沙占友．特種集成電源最新應(yīng)用技術(shù)[M]．人民郵電出

版社，2000

[2]沙占友．EMI濾波器的設(shè)計(jì)原理[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，

2001(5)

[3]沙占友.單片開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的分析及抑制方法[J]，

電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)（2000增刊），2000

作者簡(jiǎn)介

沙占友（1944－），男，河北科技大學(xué)信息學(xué)院電子信息工程系教授，已出版專著16部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文153篇，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化測(cè)量技術(shù)、儀器儀表及特種電源。