TL431偏置電流的正確設(shè)置

????? 　　眾所周知，TL431在開(kāi)關(guān)電源(SMPS)反饋環(huán)路中是參考電壓。該器件結(jié)合了參考電壓與集電極開(kāi)路誤差放大器，具有操作簡(jiǎn)單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。雖然TL431已在業(yè)內(nèi)被長(zhǎng)期廣泛采用，但一些設(shè)計(jì)人員仍會(huì)忽略它的偏置電流，以致在無(wú)意間降低產(chǎn)品的最終性能。
????? 　　TL431的簡(jiǎn)化電路圖如圖1所示，圖中包括了驅(qū)動(dòng)NPN
????? 晶體管的參考電壓和誤差放大器，在該封閉的電源系統(tǒng)中，一部分輸出電壓一直與TL431的Vref(參考電壓)進(jìn)行比較。
????? 　　
????? 　　圖1 TL431等效電路圖
????? 　　
????? 　　????? 　　

轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化直流模型如圖2所示，Vout與Vref通過(guò)受傳輸率影響的電阻分壓器進(jìn)行比較，可得到輸出電壓的理論值為Vref/α。然而，整個(gè)增益鏈路和各種阻抗均會(huì)影響輸出電壓，如下式所示，其中每個(gè)希臘字母均表示一個(gè)增益，RSOL表示開(kāi)環(huán)輸出阻抗。
????? 　　Vout=(Vref-α×Vout) ×β×G- RSOL×Vout / RL (1)
????? 　　Vout= Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL / RL) (2)
????? 　　靜態(tài)誤差=Vref/α- Vout= Vref×(RSOL+ RL)/ [α×(RSOL+α×β×G×RL+RL)] (3)
????? 　　從式(3)中可看出，增大增益的值有助減小靜態(tài)誤差，提高輸出電壓精度。受增益環(huán)路影響的另一個(gè)重要參數(shù)是輸出阻抗，系統(tǒng)的輸出阻抗可用不同的計(jì)算方法得出。任何發(fā)生器均可簡(jiǎn)化為它的Thevenin等效，即一個(gè)電壓電源Vth
????? (空載時(shí)測(cè)得的Vout，即令式2中的RSOL / RL
????? =0)與一個(gè)輸出阻抗Rth的串聯(lián)電路。設(shè)當(dāng)負(fù)載電阻RL為閉環(huán)輸出阻抗Rth時(shí)，輸出電壓Vout可減小至Vth/2，以此來(lái)計(jì)算輸出阻抗Rth，也可將其表示為RSCL。令Vth/2
????? = Vout求RSCL，由式(2)可得：
????? 　　Vref×β×G/(1+α×β×G)/2=Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL/Rth) (4)
????? 　　RSCL = RSOL/(1+α×β×G) (5)
????? 　　由式(5)可得出如下結(jié)論：
????? 　　如果直流誤差放大器的增益較大，且DC 較高，則RsCL接近于零；
????? 　　由于對(duì)反饋返回路徑進(jìn)行了補(bǔ)償，所以，當(dāng)增益隨頻率增大而減小時(shí)，RSCL開(kāi)始增大。阻抗模塊隨頻率增大而增大，說(shuō)明該阻抗類(lèi)似于電感；
????? 　　當(dāng)增益降至零時(shí)，系統(tǒng)輸出阻抗與無(wú)反饋時(shí)的阻抗相同，均為RSOL。此時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)工作。
????? 　　因此，為了減小靜態(tài)誤差，并降低轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)輸出阻抗，大多數(shù)SMPS
????? 設(shè)計(jì)人員會(huì)在設(shè)計(jì)中保持較大的直流增益值。這里的直流增益由TL431提供，可以采用如圖3所示的純積分器配置進(jìn)行連接。

????? 　　
????? 　　圖3 使用傳統(tǒng)的分流穩(wěn)壓器配置連接TL431
????? 　　假設(shè)圖3中的Rbias不存在。首先計(jì)算分壓器網(wǎng)絡(luò)Rupp和Rlow，橋接電流Ib應(yīng)大于TL431參考引腳的偏置電流6.5A(最大值)，以減小因偏置而引起的Rupp誤差。對(duì)于12V輸出電壓，假設(shè)
????? Ib=1mA。由于TL431通過(guò)Rlow施加的電壓為2.5V，而Rupp施加的電流為1mA，因此可以計(jì)算出Rlow為 2.5 / 1m =
????? 2.5k，而Rupp則等于(12-2.5)/
????? 1m=9.5k?？蛇M(jìn)一步選擇更小的偏置電流，以減小空載條件下的待機(jī)能耗。橋接電流值確定后，即可計(jì)算RS。RS必須能提供足夠的電流，使光耦合器集電極(或反饋引腳)小于1.2V，以啟動(dòng)空載工作狀態(tài)下的跳周期。在NCP1200中，引腳2和內(nèi)部5V參考電壓間有一個(gè)8k的上拉電阻。如果反饋電流為475A，可將引腳2拉至1.2V
????? (VPIN2=5-475×8k)?？紤]到光耦合器在較差情況下有50%的電流轉(zhuǎn)換比例(CTR)，則RS必須小于(Vout-2.5-1V) /
????? 950<8.94k，假設(shè)為8.2k。
????? 　　在CTR為150%的較差情況下，表示LED中需要的電流較小，如果將8.2k電阻與TL431串聯(lián)，則會(huì)發(fā)生以下情況：
????? 　　1. 輕負(fù)載情況：IFB = 475A，則IL = 475/ 1.5 = 316A
????? 　　2. 中負(fù)載情況：VFB = 2.3V，IFB = 337.5A，則 IL = 337.5/ 1.5=225A
????? 　　3. 重負(fù)載情況：VFB = 3V，IFB = 250A，則IL = 250/1.5 = 166A
????? 　　在這種情況下，TL431的偏置電流不僅隨著負(fù)載電流而變化，而且也隨著光耦合器CTR的變化而變化。此外，減小RS也不起任何作用，應(yīng)該通過(guò)調(diào)節(jié)LED的內(nèi)部電流，來(lái)調(diào)整控制器端的正確反饋電壓。這種情況的設(shè)計(jì)問(wèn)題源自TL431的數(shù)據(jù)表：必須插入大于1mA的偏置電流，才能從不同規(guī)格的TL431增益中獲益。如果不能正確偏置TL431，就會(huì)降低開(kāi)環(huán)增益，導(dǎo)致增大，RSCL也隨之增大。
????? 　　這一問(wèn)題可通過(guò)增加偏置電阻Rbias，在外部施加一個(gè)偏置電流而解決。由于最缺少電流，所以必須計(jì)算此電阻在較差情況下，也就是重負(fù)載情況和最高CTR時(shí)的值。這時(shí)IL
????? = 166uA。因此，RS上的電壓為166×8.2k = 1.36V。假設(shè)LED的正激壓降為1V，則陰極電壓為12 -1.36-1 =
????? 9.64V。已知Vout恒定為12V，通過(guò)Rbias施加1mA電流得到，Rbias = (12-9.64) / 1m = 2.36k，或用
????? 2.2k得到歸一化值。因此，在 TL431上施加的最小電流為 1mA + 166uA = 1.16mA。在空載情況下，IL=316 uA
????? ，陰極電壓為12-(8.2k×316)-1 = 8.4V，因此，流經(jīng)TL431的總偏置電流為(12-8.4)/2.2k=
????? 1.63mA，加上實(shí)際的反饋電流值316uA，總偏置電流為1.95mA，應(yīng)處于安全電流范圍內(nèi)。
????? 　　在NCP1200構(gòu)成的電源上進(jìn)行了有偏置電阻和無(wú)偏置電阻的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。沒(méi)有偏置元件時(shí)，輸出阻抗測(cè)量值為57m；連接偏置電阻(阻值為3.3k)后，輸出阻抗值降至4m。