TL431在開關電源反饋回路中的應用

隨著半導體行業(yè)的發(fā)展，開關電源的應用場合不斷拓寬。同時，對開關電源的要求也不斷提高。高功率密度、小體積、低價格成為開關電源行業(yè)的趨勢。在半導體技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，通過選用更加優(yōu)秀性能的開關管，能夠在同樣的體積空間下輸出更高的功率，從而達到優(yōu)化開關電源的功率的目的。對于控制回路而言，使用TL431來代替由分立的基準電壓和運放構(gòu)建的具有反饋功能控制回路，文中首先對TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析，比較了TL431和由通用運放搭建的反饋回路，然后對TL431的靜態(tài)工作點設置進行分析和計算，最后計算了由TL431構(gòu)成的補償環(huán)路。

1.TL431簡介

1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Texas Instrument公司開發(fā)的TL431是一種穩(wěn)定性好、三端可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，常用作可調(diào)壓的電壓基準。其外部結(jié)構(gòu)包含陰極、陽極和參考電壓三個引腳;內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在TL431的大部分應用中，陽極接地，陰極電流的一部分會流過結(jié)構(gòu)框圖左下的鏡像電流源。該電流在電阻上產(chǎn)生的壓降再加上三極管基極B與發(fā)射極E的壓降共同構(gòu)成2.5V的參考電壓。TL431的中間級結(jié)構(gòu)相當于差分放大電路，輸出級為達林頓結(jié)構(gòu)，由此TL431具有內(nèi)部集成電壓基準以及運放電路的功能。

圖1 TL431內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

1.2工作原理

根據(jù)其功能，TL431可以簡化由內(nèi)部集成2.5V的基準電壓、差分運放和集電極開路的三極管構(gòu)成。TL431的簡化圖如圖2所示。當參考電壓引腳上的電壓低于內(nèi)部基準電壓2.5V時，運放輸出為低電平，三極管關斷，忽略微小的漏電流，此時沒有電流流過TL431;當參考電壓引腳上的電壓高于內(nèi)部基準電壓時，運放輸出為高電平，三極管導通從陰極抽取電流并迅速進入飽和區(qū);當參考電壓引腳上的電壓非常接近基準電壓時，三極管才工作在放大區(qū)，從陰極抽取恒定的電流。通過分析可知，在開關電源中分立的基準電壓加運放做反饋的結(jié)構(gòu)可以被TL431很好地替代。

圖2 TL431功能結(jié)構(gòu)

2.TL431在反饋回路中的應用

2.1由普通運放和電壓基準構(gòu)成的反饋回路

一般原副邊隔離場合下的開關電源，其功率級的隔離是通過變壓器來實現(xiàn)。反饋信號的隔離主要通過光耦來實現(xiàn)。運放和電壓基準以及光耦構(gòu)成的反饋回路，如圖3所示。

圖3 運放和電壓基準構(gòu)成的反饋回路

輸出電壓（Vo）通過電阻分壓后，與參考電壓（Vref）比較。運放輸出誤差電壓信號（Verr），從而控制流過光耦LED的電流Ie。通過光耦在原邊產(chǎn)生電流Ic，由Ic在電阻Rc上產(chǎn)生反饋電壓VFB。反饋電壓再與控制芯片內(nèi)部的比較器進行比較，產(chǎn)生控制開關管的占空比信號，從而使輸出電壓在不同負載不同輸入電壓的情況下都能穩(wěn)定在設置好的電壓范圍內(nèi)。

2.2由TL431構(gòu)成的反饋回路

TL431內(nèi)部集成了電壓基準和差分運放，可以在反饋回路中用TL431替代分立的電壓基準和運放。但是在實際運用中，TL431跟分立的電壓基準和運放的工作原理并不完全相同，需要作進一步的分析和研究。由TL431構(gòu)成的反饋回路如圖4所示。

圖4 TL431構(gòu)成的反饋回路

輸出電壓通過電阻分壓連接到TL431的電壓基準引腳，當TL431電壓基準引腳電壓非常接近2.5V時，其內(nèi)部的三級管工作在線性區(qū)，并從副邊的輔助電源VCC抽取一個恒定的電流Ie。流過發(fā)光二極管的電流Ie會在光敏三級管上感應出與Ie

成比例的電流Ic。

在工程中用光耦的電流傳輸比（CTR）來定義該比值：

原邊的反饋電壓VFB：

其中，VDD是原邊的輔助電源電壓，副邊TL431的陰極電壓：

其中，Vcc是副邊的輔助電源電壓，Vd是光耦發(fā)光二極管的導通壓降。

VFB是反饋環(huán)路通過光耦隔離之后傳遞到原邊控制芯片的誤差信號，該信號跟芯片內(nèi)部的斜坡信號（Vramp）進行比較來輸出驅(qū)動信號的占空比（du-tyc）cle），使輸出電壓在不同輸人和負載條件下能夠穩(wěn)壓，如圖5所示。

圖5 反饋誤差信號和占空比

如果開關電源的輸出電壓（Vo）需要增大時，相應的就需要增大驅(qū)動信號的占空比，從而反饋的誤差信號（VFB）需要相應的增大，此時副邊流過光耦發(fā)光二極管的電流Ie需要相應的減小。

可以看出，副邊反饋電流Ie跟輸出電壓密切相關。若使開關電源能夠穩(wěn)定工作，需對TL431反饋的靜態(tài)工作點進行計算和合理設置。

3.TL431反饋的靜態(tài)工作點的計算和設置

TL431直流等效模型可以等效為一個電壓控制電壓源，如圖6所示。

圖6 TL431直流等效模型

計算TL431的開環(huán)電壓增益，代人反饋環(huán)路中與發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻Rled。

其中，gm是TL431的跨導。

通過Slmetrix仿真計算出TL431的Ref電壓與陰極電流關系，如圖7所示。

圖7 TL431基準電壓與陰極電流關系

從上圖可以看出，在陰極電流小于0.5mA時，TL431的跨導很小。在經(jīng)過陰極電流0.5mA的拐點之后，跨導gm值大概為4A/V。假設一般情況下，取Rled為0.5k。

將Rled和gm值代人式（5），得到TL431開環(huán)電壓增益Gain=66dB，此增益能夠保證控制系統(tǒng)的輸出電壓精度滿足工業(yè)系統(tǒng)的要求。因此在正常工作時，要保證TL431的陰極電流足夠大，一般情況下要求大于1mA。

但是在實際設計過程中，某些PWM控制芯片內(nèi)部比較器所需電流小于1mA，比如TI公司的LM5k系列控制芯片，該芯片的Comp引腳通過一個鏡像電流源把光耦電流映射到內(nèi)部，映射電流再通過內(nèi)部的參考電壓5V與5k上拉電阻產(chǎn)生誤差信號與比較器進行比較產(chǎn)生占空比信號，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 LM5035芯片的COMP引腳及內(nèi)部比較器

流過光耦的電流：

此時需要為TL431設置偏置電流，以保證在各種工作條件下都有足夠大于1mA的電流流入TL431陰極。普遍的做法是在光耦的發(fā)光二極管旁邊并一個阻值1k的電阻，如圖4中所示。光耦的發(fā)光二極管壓降大約為1V，所以與二極管并聯(lián)的1k電阻上會有1mA的偏置電流產(chǎn)生，以保證TL431有足夠的工作電流。同時，偏置電流也不能設置得過大，太大的偏置電流會增加TL431自身的損耗，也會影響到反饋環(huán)路靜態(tài)工作點的設置。

參考圖4，當光耦電流Ic為零時，即：

這時，反饋電壓VFB達到最大值，相應的控制芯片會輸出最大占空比。

當光耦的三極管飽和時，光耦電流Ic達到最大值，此時控制芯片輸出最小占空比。

當原邊光耦電流Ic達到最大值時，相應的副邊光耦的發(fā)光二極管中電流Ie在CTR為最小值時到達最大，如式（9）：

TL431在工作時陰極電壓需要大于其基準點電壓（2.5V），同時要小于36V。該值可由下式計算得到：

4.TL431小信號環(huán)路設計

設置好靜態(tài)工作點之后，就需要對電源系統(tǒng)的反饋環(huán)路進行補償，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖4所示，獨立輔助繞組供電的二型反饋補償網(wǎng)絡，原邊光耦電容Copto是由于光耦傳輸高頻信號延時而產(chǎn)生的，相當于在系統(tǒng)里引入了一個極點。反饋傳函為：

零點頻率：

開環(huán)增益：

如果直接用輸出Vo對光耦供電，整體的反饋環(huán)路有所不同，反饋傳遞函數(shù)為：

其中兩個極點的頻率跟式的計算結(jié)果一樣，而零點的位置更加靠前。零點頻率：

零點fz比極點fp0更低，系統(tǒng)的帶寬會更寬，對于輸出變化的響應會更快。但是相位裕量較之前一種供電方式會低。在實際設計過程中需要根據(jù)對系統(tǒng)的估計要求來選擇更優(yōu)的環(huán)路補償方式。

開關電源二型系統(tǒng)補償環(huán)路仿真結(jié)果如圖9所示。從結(jié)果可以看出用TL431和運放構(gòu)成的反饋回路的頻率響應除了在低頻段相位裕量有微小差別，在其它頻率段表現(xiàn)出的性能幾乎一致。

圖9 TL431和運放構(gòu)成反饋回路的頻率響應仿真

結(jié)語

本文總結(jié)了TL431在開關電源反饋回路中的應用，并通過仿真結(jié)果驗證TL431在反饋回路中替代分立的電壓基準和運放，從而達到在開關電源的設計中節(jié)省空間，降低成本的目的。同時TL431工作時需要的電流也小于分立的電壓基準和運放工作時的工作電流，有利于減小開關電源在空載運行時的損耗。
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