TL431低壓差直流電源參數(shù)參考及工作點(diǎn)設(shè)置

TL431作為一種精密穩(wěn)壓源，被大量應(yīng)用在電子電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于擁有獨(dú)特的動(dòng)態(tài)抗阻，TL431也經(jīng)常被作為穩(wěn)壓二極管來使用。穩(wěn)壓源在電路中的使用相當(dāng)廣泛，多數(shù)使用3個(gè)引腳構(gòu)成，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且使用起來也比較方便。但是在只有較低電壓電池供電時(shí)，穩(wěn)壓電源的供電需求有可能增加20%～40%的成本及體積。針對(duì)這種情況，本篇文章主要介紹了一種低壓差穩(wěn)壓直流電源電路的設(shè)計(jì)方法，電路器件選用常規(guī)器件，成本低，并且具有很好的負(fù)載特性和電壓穩(wěn)定性。

電路工作原理

圖1為低壓層直流穩(wěn)壓電源電路原理圖。該電路是由基準(zhǔn)電壓、電壓放大和電流放大等3個(gè)環(huán)節(jié)組成。其中，基準(zhǔn)電壓由TL431產(chǎn)生，按圖1中電路連接，當(dāng)通過R0的電流在0.5~10 mA時(shí)可獲得穩(wěn)定的2.5 V基準(zhǔn)輸出。

輸出電壓的具體數(shù)值由運(yùn)算放大器UA確定，采用同相放大器的優(yōu)越性在于其輸入阻抗極大，可很好地將TL431輸出的2.5 V電壓與后級(jí)電路隔離，使其不受負(fù)載變化的影響。運(yùn)放與電阻R3和R2組成比例放大環(huán)節(jié)，可對(duì)基準(zhǔn)電壓按要求進(jìn)行比例放大輸出，但輸出電壓最大不能超過運(yùn)放的電源電壓。

電流放大采用兩個(gè)三極管，UA通過驅(qū)動(dòng)調(diào)整管VQ2控制調(diào)整管VQ1，組成反饋實(shí)現(xiàn)電流放大環(huán)節(jié)，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。二極管VD在運(yùn)放UA低壓輸出時(shí)，使調(diào)整管VQ2基極一發(fā)射極電壓為負(fù)，使VQ2立即進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，電流Ic2迅速降低，VQ2的VCE升高導(dǎo)致VQ1的基極電壓升高，使 VQ1的基極電流IB減少，進(jìn)而減少輸出電流ICQ1(βIB)，反之同理。RL是輸出負(fù)載，C0和C1是濾波電容。電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)

控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

控制環(huán)節(jié)回路等效圖如圖2和圖3所示，其中圖2為比例電壓增益原理圖，圖3為電流放大原理圖。按照?qǐng)D2和圖3，可得出控制環(huán)節(jié)回路方程：

式（2）中，Irg為運(yùn)放UA的輸出端1的輸出控制電流。

由式(2)可知，Irg通過控制VQ2的電流，IC2控制VQ1的基極電流，IB1、R8控制調(diào)節(jié)管VQ2，進(jìn)而控制VQ1的輸出電流IC1，VQ2是與 VQ1形成串聯(lián)負(fù)反饋，無需進(jìn)一步放大VQ1的輸出電流IC1，用R8對(duì)IC1分流。電路輸出電壓Vcc為5 V，驅(qū)動(dòng)額定負(fù)載是350 Ω，供電電源是標(biāo)準(zhǔn)7 V輸出的電池。運(yùn)算放大器選LM358，取R1、R2為10 kΩ，TL431電流范圍是100～150 mA，選用R1=3 kΩ，符合要求。VCC=(1+R2/R1)x2.5=5 V。合理選取R8和R9的電阻值，使VQ1和VQ2均工作在線性區(qū)。

電網(wǎng)和負(fù)載波動(dòng)情況下，Ib、Ie、Ucc盡量小，以減少損耗。設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)要選擇合適的驅(qū)動(dòng)管VQ1和偏置電阻R8、R9。VQ1的靜態(tài)工作點(diǎn)為：

式中，Irg為運(yùn)放的控制輸出信號(hào)，Vin為電源電壓，Vcc為5 V輸出電壓，RL為額定負(fù)載200Ω，VD是二極管導(dǎo)通電壓0.7V。

由式(3)和(4)可以確定VQ2的參數(shù)，然后，計(jì)算電阻R9：

使用放大倍數(shù)β1、β2在30-80之間的調(diào)整管，放大倍數(shù)較大的調(diào)整管消耗功率較小，但穩(wěn)定性降低，這里選取β為50，設(shè)計(jì)供電電源在5.2～9 V之間波動(dòng)，為了防止電源電壓高時(shí)燒毀調(diào)整管VQ2，加約1 kΩ的電阻R8以限流保護(hù)。

過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

圖3中，電阻Ri與三極管VQ3組成過流保護(hù)環(huán)節(jié)。輸出電流過大時(shí)，取樣電阻Ri上的電壓大于0.7 V，VQ3導(dǎo)通，迫使調(diào)整管基極電壓Vbe降低，直到關(guān)閉電源輸出。R4=0.7/kIC。其中，LC為輸出電流，K為最大過流系數(shù)，通常取值約1.5。 R7=(Vcc-Uce3)/Ie3≈Vrg/Ic3，限制Ic3不宜過大，以免VQ3過流損壞。試驗(yàn)

圖4為設(shè)計(jì)的一個(gè)直流穩(wěn)壓電源模塊，輸入電源為直流5～9 V的蓄電池組，分別對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行電源特性和負(fù)載特性試驗(yàn)，其中負(fù)載特性試驗(yàn)以輸入的6.5 V蓄電池模擬實(shí)際使用工作環(huán)境。圖5為其試驗(yàn)記錄結(jié)果。輸出紋波試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)電源輸入電壓為5-11 V，輸出紋波為5～8 mV。

從實(shí)驗(yàn)當(dāng)中能夠看出，本設(shè)計(jì)的具有穩(wěn)壓精度高、負(fù)載特性好的一系列特點(diǎn)，最主要的是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可利用接口P0監(jiān)測(cè)實(shí)際電源，此電路已投入生產(chǎn)，通過實(shí)踐檢驗(yàn)該電路設(shè)計(jì)性能可靠，耗電少，可很好滿足單電源供電應(yīng)用情況。

本篇文章主要介紹了一種低壓差直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)克服了在電源供電電壓過低時(shí)造成的不便，并且節(jié)約了成本和時(shí)間，希望大家在閱讀過本篇文章之后，能對(duì)這種方法有進(jìn)一步的了解。