TL431穩(wěn)壓基準源簡介及其應用

 1 TL431的簡介

德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的TL431是一是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值(如圖2)。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。

左圖是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF)。TL431的具體功能可以用如圖1的功能模塊示意。

由圖可以看到，VI是一個內(nèi)部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端(同相端)的電壓非常接近VI(2.5V)時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管 圖1 的電流將從1到100mA變化。當然，該圖絕不是TL431的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設計、分析應用TL431的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的，本文的一些分析也將基于此模塊而展開。

2. 恒壓電路應用

前面提到TL431的內(nèi)部含有一個2.5V的基準電壓，所以當在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖2所示的電路，當R1和R2的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導致Vo下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在VI等于基準電壓處穩(wěn)定，此時Vo=(1+ R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當R1=R2時，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。

當然，這個電路并不太實用，但它很清晰地展示了該器件的工作原理在應用中的方法。將這個電路稍加改動，就可以得到在很多實用的電源電路，如圖3，4。

圖3 大電流的分流穩(wěn)壓電路

圖4 精密5V穩(wěn)壓器

3. 恒流電路應用

由前面的例子我們可以看到，器件作為分流反饋后，REF端的電壓始終穩(wěn)定在2.5V，那么接在REF端和地間的電阻中流過的電流就應是恒定的。利用這個特點，可以將TL431應用很多恒流電路中。

如左圖5是一個實用的精密恒流源電路。原理很簡單，不再贅述。但值得注意的是，TL431的溫度系數(shù)為30ppm/℃，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多，因而在應用中無需附加溫度補償電路。

圖5下面就介紹一個用該器件為傳感器電橋提供恒定偏流的電路，如圖6。

這是一個已連成橋路的硅壓傳感器的前級處理電路。Vref/R2的值應設為電橋工作所必要的恒定電流，該電流值通常會由傳感器制造商提供。流經(jīng)TL431陰極的電流由R1和電源電壓Vs決定，在應用中通常讓它等于橋路電流，但一定要注意大于1mA。

由于TL431非常易于實現(xiàn)恒壓或恒流，而且有很好的溫度穩(wěn)定性，因此很適合于儀表電路、傳感器電路等設計應用。在此方面的應用例子很多，設計原理并不復雜，本文不再一一介紹。

4. 可控分流特性的應用

由第1節(jié)介紹的功能模塊圖，當REF端的電壓有微小變化時，從陰極到陽極的分流將隨之在1～100mA內(nèi)變化。利用這種可控分流的特性，可以用小的電壓變化控制繼電器、指示燈等，甚至可直接驅(qū)動音頻電流負載。如圖7是此應用的一個簡單400mW單聲道功率放大電路。

圖7

5. 在開關(guān)電源上的應用

在過去的普通開關(guān)電源設計中，通常采用將輸出電壓經(jīng)過誤差放大后直接反饋到輸入端的模式。這種電壓控制的模式在某些應用中也能較好地發(fā)揮作用，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當今世界的電源制造業(yè)大多已采用一種有類似拓撲結(jié)構(gòu)的方案。此類結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源有以下特點：輸出經(jīng)過TL431(可控分流基準)反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動一個光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調(diào)整一個電流模式的PWM控制器的開關(guān)時間，從而得到一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。

圖8

上圖是一個實用的4W開關(guān)型5V直流穩(wěn)壓電源的電路。該電路采用了此種拓撲結(jié)構(gòu)并同時使用了TOPSwitch技術(shù)。圖中 C1、L1、C8和C9構(gòu)成EMI濾波器，BR1和C2對輸入交流電壓整流濾波，D1和D2用于消除因變壓器漏感引起的尖峰電壓，U1是一個內(nèi)置 MOSFET的電流模式PWM控制器芯片，它接受反饋并控制整個電路的工作。D3、C3是次極整流濾波電路，L2和C4組成低通濾波以降低輸出紋波電壓。 R2和R3是輸出取樣電阻，兩者對輸出的分壓通過TL431的REF端來控制該器件從陰極到陽極的分流。這個電流又是直接驅(qū)動光耦U2的發(fā)光部分的。那么當輸出電壓有變大趨勢時，Vref隨之增大導致流過TL431的電流增大，于是光耦發(fā)光加強，感光端得到的反饋電壓也就越大。U1在接受這個變大反饋電壓后將改變MOSFET的開關(guān)時間，輸出電壓隨改變而回落。

事實上，上面講述的過程在極短的時間內(nèi)就會達到平衡，平衡時Vref=2.5V，又有R2= R3，所以輸出為穩(wěn)定的5V。這里要注意的是，不再能通過簡單地改變?nèi)与娮鑂2、R3的值來改變輸出電壓，因為在開關(guān)電源中每個元件的參數(shù)對整個電路工作狀態(tài)的影響都會很大。按圖中所示參數(shù)時，電路可在90VAC～264VAC(50/60Hz)輸入范圍內(nèi)，輸出+5V，精度優(yōu)于±3%，輸出功率為 4W，最大輸出電流可達0.8A，典型變換效率為70%。