JAJT290 October 2017 TL431
絶縁電源では、フォトカプラは絶縁境界をまたいで帰還信号を渡します。フォトカプラには、発光ダイオード (LED) および光検出器が含まれています。LED に電流が流れると、それに比例した電流が光検出器に流れます。電流伝達率 (CTR) は LED から光検出器への電流ゲインであり、一般に非常に広い許容誤差を持っています。絶縁帰還回路を設計する場合、フォトカプラと、大信号ゲインを決定する他のすべての部品の許容誤差を考慮する必要があります。この作業を無視すると、製品が量産に移行した後に返品が発生する可能性があります。
図 1 に示す絶縁型帰還回路の回路図は、 最も一般的な実装です。TI の TL431 にはエラー アンプと基準電圧が内蔵されています。R3 と R5 の分圧抵抗、および TL431 の内部基準電圧により出力電圧が決まります。帰還回路は、パルス幅変調 (PWM) コントローラのフィードバック ピンの電圧を変化させることによって、電源出力に供給される電力を制御します。VOUT の電圧が高くなると、TL431 のカソードがフォトカプラから引き込む電流が多くなり、それによってフィードバック ピンの電圧が低下します。VOUT の電圧が低くなると、TL431 のカソードがフォトカプラから引き込む電流が少なくなり、フィードバック ピンの電圧が上昇します。
適切な設計では、すべての主要な変数についてワーストケースの許容誤差を考慮しながら、この回路が動的動作範囲の全体にわたってコントローラのフィードバック ピンを確実に駆動できるようにする必要があります。
図 1 絶縁電源では一般的にこの回路でフィードバック信号を生成します。最初に、コントローラのフィードバック ピンの動的動作範囲を決定します。コントローラはそれぞれ異なっているので、この作業では、データシートを調査する必要があります。例として、UCC2897A を使って、12V 出力のアクティブ クランプ フォワード コンバータを制御すると仮定します。UCC2897A データシートの「ピンの詳細説明」を読むと、フィードバック ピンの電圧が 2.5V のときデューティ サイクルがゼロであり、フィードバック電圧が 4.5V のとき最大デューティ サイクルになることがわかります。UCC2897A には 5V の基準電圧も搭載されており、これは、フォトカプラの光検出器に 図 1 の R6 経由でバイアスを印加するために使用できます。このリファレンス デザインは、最小 4.75V の入力電圧、最大 5.25V の入力電圧で動作します。式 1 および式 2 は、フォトカプラの光検出器に必要な電流の範囲を計算します。ここでは、R6 に許容誤差 1% の 1kΩ 抵抗を使用すると仮定しています。
この回路は、0.25mA～2.78mA の範囲で R6 の電流を駆動できる必要があります。抵抗 R2 を入れることにより、フォトカプラの LED に流れ込む電流が減少し、TL431 のカソードを十分に高い電圧に上昇させることができます。したがって、この回路設計では、最小 R6 電流が保証され、最大 R6 電流の供給について心配するだけで済みます。
2 番目のステップは、フォトカプラのワーストケースの CTR を計算することです。型番に「817」の付いたフォトカプラは、多数のメーカーから供給されており、互いにピン互換です。各メーカーは型番に異なる接頭辞を使用しています。表 1 に、さまざまな CTR 範囲を持つ 817 デバイスの例を示します。型番に 1 文字の接尾辞が付いています。この CTR 範囲には、温度とバイアス電流の影響は含まれていません。表 1 および 図 3に、温度およびバイアス電流による影響の概略について、フォトカプラのデータシートの図から再作成したものを示します。
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使用する電源が −40°C～85°C の環境で動作することを想定します。 から、85°C では最小 CTR を約 0.7 倍する必要があることがわかります。817 の「A」バージョンを選択した場合、最小 CTR は 56% になります。式 1 の結果を 0.56 で除算すると、バイアス電流の影響は含まないものとして、LED 電流に少なくとも 4.96mA が必要になる可能性があることがわかります。[ ] から、4.96mA でのバイアス電流の影響は無視できる程度であることがわかります。
図 2 フォトカプラ CTR の温度による変化。
図 3 フォトカプラ CTR のバイアス電流による変化。3 番目で最後のステップは、TL431 がすべての条件にわたってフォトカプラを十分に駆動できるように、R1 の値を設定することです。TL431 の最小カソード電圧は 2.5V であり、フォトカプラの LED の順方向電圧降下は最大 1.0V です。式 3 は、レギュレーションを保証するための R1 の最大値を計算するものです。
この電源で 1.7kΩ より大きい R1 値を使用すると、TL431 がレギュレーションを維持するのに十分な電流を LED に駆動できなくなる場合があります。フォトカプラの電流が不足している場合、フォトカプラに適切な量の LED 電流が流れるようになるまで、出力電圧は上昇を続けます。その結果、出力に過電圧状態が発生します。より高い温度の場合、過電圧が発生する可能性が高くなります。
このような許容誤差の問題は、設計段階でしばしば見落とされます。量産前の電源の動作では、すべてのテストに簡単に合格する可能性があります。この問題は、後でお客様からの返品という形で発生します。ここで簡単な設計手順に従うことで、会社のコストを節約し、顧客を満足させ続けることができます。
その他の Power Tips については、Power House で TI の Power Tips ブログ シリーズをご覧ください。
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以前 EDN.com で公開された記事です。