TL431三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源的性能及電路應(yīng)用分析

1.TL431的簡(jiǎn)介

德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的TL431是一是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)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(dòng)態(tài)阻抗為0.2Ω，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開(kāi)關(guān)電源等等。

左圖是該器件的符號(hào)。3個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)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(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)三極管 圖1 的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡(jiǎn)單地用這種組合來(lái)代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用TL431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對(duì)開(kāi)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(kāi)。

2. 恒壓電路應(yīng)用

前面提到TL431的內(nèi)部含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖2所示的電路，當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí)，兩者對(duì)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(dǎo)致Vo下降。顯見(jiàn)，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在VI等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)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(dāng)R1=R2時(shí)，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證TL431工作的必要條件，就是通過(guò)陰極的電流要大于1 mA 。

當(dāng)然，這個(gè)電路并不太實(shí)用，但它很清晰地展示了該器件的工作原理在應(yīng)用中的方法。將這個(gè)電路稍加改動(dòng)，就可以得到在很多實(shí)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(yīng)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(guò)的電流就應(yīng)是恒定的。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以將TL431應(yīng)用很多恒流電路中。

如左圖5是一個(gè)實(shí)用的精密恒流源電路。原理很簡(jiǎn)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(yīng)用中無(wú)需附加溫度補(bǔ)償電路。

圖5下面就介紹一個(gè)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(gè)已連成橋路的硅壓傳感器的前級(jí)處理電路。Vref/R2的值應(yīng)設(shè)為電橋工作所必要的恒定電流，該電流值通常會(huì)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(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)應(yīng)用。在此方面的應(yīng)用例子很多，設(shè)計(jì)原理并不復(fù)雜，本文不再一一介紹。

4. 可控分流特性的應(yīng)用

由第1節(jié)介紹的功能模塊圖，當(dāng)REF端的電壓有微小變化時(shí)，從陰極到陽(yáng)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(dòng)音頻電流負(fù)載。如圖7是此應(yīng)用的一個(gè)簡(jiǎn)單400mW單聲道功率放大電路。

圖7

5. 在開(kāi)關(guān)電源上的應(yīng)用

在過(guò)去的普通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，通常采用將輸出電壓經(jīng)過(guò)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(yīng)用中也能較好地發(fā)揮作用，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界的電源制造業(yè)大多已采用一種有類似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案。此類結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電源有以下特點(diǎn)：輸出經(jīng)過(guò)TL431（可控分流基準(zhǔn)）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(lái)調(diào)整一個(gè)電流模式的PWM控制器的開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。

圖8：4W開(kāi)關(guān)型5V直流穩(wěn)壓電源

上圖是一個(gè)實(shí)用的4W開(kāi)關(guān)型5V直流穩(wěn)壓電源的電路。該電路采用了此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并同時(shí)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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)輸出的分壓通過(guò)TL431的REF端來(lái)控制該器件從陰極到陽(yáng)極的分流。這個(gè)電流又是直接驅(qū)動(dòng)光耦U2的發(fā)光部分的。那么當(dāng)輸出電壓有變大趨勢(shì)時(shí)，Vref隨之增大導(dǎo)致流過(guò)TL431的電流增大，于是光耦發(fā)光加強(qiáng)，感光端得到的反饋電壓也就越大。U1在接受這個(gè)變大反饋電壓后將改變MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間，輸出電壓隨改變而回落。

事實(shí)上，上面講述的過(guò)程在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)達(dá)到平衡，平衡時(shí)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(guò)簡(jiǎn)單地改變?nèi)与娮鑂2、R3的值來(lái)改變輸出電壓，因?yàn)樵陂_(kāi)關(guān)電源中每個(gè)元件的參數(shù)對(duì)整個(gè)電路工作狀態(tài)的影響都會(huì)很大。按圖中所示參數(shù)時(shí)，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(dá)0.8A，典型變換效率為70%。