開關(guān)電源中TL431 的運(yùn)行原理及典型應(yīng)用

一、TL431 取樣補(bǔ)償當(dāng)中的原件值計(jì)算

TL431作為一種可控的精密穩(wěn)壓源，具有價(jià)格低、性能高的特點(diǎn)，因此被大量應(yīng)用在各種電子電路當(dāng)中。下文章將為大家介紹TL43取樣補(bǔ)償當(dāng)中的原件值計(jì)算。

以下面的電路圖為例，其中R6的數(shù)值并不是隨便決定的。R6的參數(shù)主要取決于兩個(gè)因素：第一個(gè)是TL431參考輸入端的電流，一般此電流為2uA左右，為了避免此端電流影響分壓比，以及避免噪音的影響，一般取流過電阻R6的電流為參考段電流的100倍以上，所以此電阻要小于2.5V/200uA=12.5K。第二個(gè)是待機(jī)功耗的要求，如有此要求，在滿足<12.5K的情況下盡量取大值。

熟悉電源設(shè)計(jì)的各位一定都知道，TL431需要1mA的工作電流，這就意味著當(dāng)R1的電流接近于零時(shí)，也要保證TL431有1mA，所以R3≤1.2V/1mA=1.2K即可。另一方面也是出于功耗方面的考慮。

所以對電路的設(shè)計(jì)而言，R1的取值非常重要，它必須確保TOP控制端能夠得到足夠的電流。假設(shè)用PC817A，其CTR=1.6-0.8，取低限0.8，要求流過光二極管的最大電流為6/0.8=7.5mA，所以R1的值≤(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K，光二極管能承受的最大電流在50mA左右，TL431為100mA，所以取流過R1的最大電流為50mA，R1>(15-2.5-1.3)/50=226歐姆。

在上圖當(dāng)中，我們可以看到R5 與C4 形成了在原點(diǎn)當(dāng)中的極點(diǎn)，被用來對低頻增益進(jìn)行提升，來壓制低頻(100Hz)紋波和提高輸出調(diào)整率，即靜態(tài)誤差。R4C4 形成一個(gè)零點(diǎn)，來提升相位，要放在帶寬頻率的前面來增加相位裕度，具體位置要看其余功率部分再設(shè)計(jì)帶寬處的相位是多少，R4C4 的頻率越低，其提升的相位越高，當(dāng)然最大只有90 度，但其頻率很低時(shí)低頻增益也會(huì)減低，一般放在帶寬的1/5 處，約提升相位78 度。

至此，就是TL431 的取樣補(bǔ)償中原件值的完整計(jì)算方法。不僅如此，這種方法適用于任何初級(jí)的IC，有興趣的朋友們可自行替換成另一型號(hào)的IC 來進(jìn)行計(jì)算。

二、開關(guān)電源中TL431 的運(yùn)行原理及典型應(yīng)用

在早期的開關(guān)電源當(dāng)中，組成取樣的工作主要由三極管和二極管來完成。但是由于它們在參數(shù)上差別比較大，會(huì)為調(diào)試造成一定的阻礙。現(xiàn)如今，隨著技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源逐漸放棄了老舊的三極管和二極管，轉(zhuǎn)而采用三端精密穩(wěn)壓源來進(jìn)行取樣和誤差檢測。而三端精密穩(wěn)壓源當(dāng)中的經(jīng)典，就非TL431 莫屬了。

有產(chǎn)品的典型值均為2.495V，而其誤差電壓范圍允許為2.44~2.55V，允許工作溫度范圍用尾綴字母表示，C 為-10~85 攝氏度，I 為-40~85 攝氏度，M 為-55~125 攝氏度。所以，無論是精度還是穩(wěn)定度均非普通穩(wěn)壓二極管所能達(dá)到的。

在使用TL431 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們要注意，為了讓TL431 內(nèi)部的放大器處于線性區(qū)，要讓Uka=Uref。Ika 大于1mA，內(nèi)部放大器的電壓小于37V，其最大功耗為500mW~1W。一般開關(guān)電源中的誤差放大器，功耗是不可能達(dá)到500mW 的。TL431 的用法很多，如果將R 端與K 端連接，即等效一只2.5V/100mA 的高精度穩(wěn)壓二極管。另外，TL431 還可以組成2.5V~36V 的可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓電源。由TL431 組成的取樣電路，由于其內(nèi)部比較器具有極高的增益，在使放大器動(dòng)作時(shí)，取樣電路僅需輸入4 微安以下的電流即可，因此對取樣分壓器的影響極小。

TL431 在開關(guān)電源當(dāng)中取樣和誤差放大的典型應(yīng)用電路圖如上圖所示。開關(guān)電源輸出電壓Uo 由R1、R2 分壓，正常時(shí)得到2.5V 的取樣電壓，送到TL431 的控制端R。因?yàn)镽 端電流極小，可以忽略，因而R1、R2 的取值可以按輸出電源Uo 與2.5V 之比選取，即Uo=2.5*(1+R1/R2)。當(dāng)Uo 上升時(shí)，R 端電壓升高，Ika 增大，光耦合器發(fā)光二極管電流也增大，通過光耦合器次級(jí)控制開關(guān)脈沖的脈寬減小，輸出電壓降低，起到了穩(wěn)定輸出電壓的作用。

TL431 和光電耦合器的工作電壓為Ui，一般取自開關(guān)電源5~12V 穩(wěn)壓電源，R3 則限制TL431 的電流Ika，使光電耦合器工作在線性區(qū)內(nèi)。由于TL431 的比較器和放大器增益都較高，使用中常在K-R 極之間接入RC 電路，以防止寄生振蕩。

在我們想要對TL431 的電路進(jìn)行檢測時(shí)，使用傳統(tǒng)的電阻法是無法準(zhǔn)確判斷出好壞的。因?yàn)槿司芊€(wěn)壓器為集成電路，等效電路只是示意其內(nèi)部功能，實(shí)際內(nèi)部電路較為復(fù)雜。當(dāng)開關(guān)電源出現(xiàn)失控或無輸出電壓故障時(shí)，如果懷疑取樣誤差放大器發(fā)生故障，可根據(jù)上圖中的電路檢測TL431。Ui 選擇小于35V 的直流電壓，R1 將電路短路電流限制在100mA 以內(nèi)，R2、R3 為控制極供電調(diào)整，選擇R3/R2+R3 大于或等于2.5。當(dāng)調(diào)整R3 時(shí)，Uo 能在2.5V~Ui之間均勻變化，則判斷三端精密穩(wěn)壓器TL431 完全正常。

上文主要對TL431 在開關(guān)電源當(dāng)中的應(yīng)用和電路運(yùn)行原理進(jìn)行了介紹，并對典型電路進(jìn)行了分析，并給出了TL431 電路的檢測方法。希望大家通過這篇文章能夠進(jìn)一步了解TL431 在開關(guān)電源當(dāng)中的使用。

三、短小精悍精密穩(wěn)壓源TL431 應(yīng)用方式介紹

TL431 是在電子電力設(shè)計(jì)當(dāng)中較經(jīng)典的一種可控精密穩(wěn)壓源，它能夠在很多場合當(dāng)中起到代替穩(wěn)壓二極管的作用，在開關(guān)電源、運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源當(dāng)中都有廣泛的應(yīng)用，下文章主要對TL431 的的應(yīng)用進(jìn)行簡潔的介紹。TL431 精密可調(diào)基準(zhǔn)電源有如下特點(diǎn):穩(wěn)壓值從2.5~36V 連續(xù)可調(diào);參考電壓原誤差+-1.0%,低動(dòng)態(tài)輸出電阻,典型值為0.22 歐姆輸出電流1.0~100 毫安;全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦,典型值為50ppm;低輸出電壓噪聲。

典型應(yīng)用電路如下:

1:精密基準(zhǔn)電壓源(附圖1)該電路具有良好的溫度穩(wěn)定性及較大的輸出電流.但在連接容性負(fù)載時(shí),應(yīng)特別注意CL 的取值,以免自激.

2: 可調(diào)穩(wěn)壓電源(附圖2)Vo 可在2.5~36V 之間調(diào)節(jié).V0=Vref(1+R1/R2)(Vref=2.5v),由于承受電壓與(Vi -Vo)有關(guān),因此壓差很大時(shí),R 的功耗隨之增加.使用時(shí)注意.

3:過電壓保護(hù)電路(附圖3)當(dāng)Vi 超過一定電壓時(shí),TL431 觸發(fā),使晶閘管導(dǎo)通,產(chǎn)生瞬間大電流,將保險(xiǎn)絲熔斷,從而保護(hù)后極電路.V 保護(hù)點(diǎn)=(1+R1/R2)Vref。

4:恒流源電路(附圖4----拉電流負(fù)載)(附圖5---灌電流負(fù)載)恒流值與Vref 和外加電阻有關(guān),功率晶體管選用時(shí)要考慮余量.該恒流源如與穩(wěn)壓線路配接,可做電流限制器用.

5:比較器(附圖6)它是巧妙的運(yùn)用了Vref=2.5v 這個(gè)臨界電壓.當(dāng)ViVref 時(shí),Vo=2V 由于TL431 內(nèi)阻小,因而輸入輸出波形跟蹤良好.

6:電壓監(jiān)視器(附圖7)利用TL431 的轉(zhuǎn)移特性,組成實(shí)用電壓監(jiān)視器.當(dāng)電壓處于上下限電壓之間,LED 電量,上下限電壓分別為(1+R1/R2)Vref 和(1+R3/R4)Vref

作為一種并聯(lián)的穩(wěn)壓集成電路，TL431 在性能和價(jià)格上都有著很大的優(yōu)勢，充分理解并學(xué)習(xí)TL431 的應(yīng)用，有助于我們更好的使用TL431，從而得設(shè)計(jì)出更加高效并且簡便的電路。

四、高手支招PC817 與TL431 的配合電路探討

TL431 是一種精密穩(wěn)壓源，而PC817 是一種光電耦合器件。在開關(guān)電源當(dāng)中，對穩(wěn)壓反饋電路的設(shè)計(jì)通常會(huì)使用TL431 和PC817 來配合進(jìn)行。在反激電源設(shè)計(jì)當(dāng)中，反饋電路常常使用它們來作為參考。所以這兩者的配合總是工程師們津津樂道的話題，本篇文章來自于論壇技術(shù)達(dá)人，借助TOPSwicth 的典型應(yīng)用，來說明TL431 和PC817 的配合問題。

首先，先來看一下基于TOPSwicth 的，TL431 和PC817 配合使用電路圖。

圖1 TL431 和PC817 配合使用電路圖

接下來，以圖1 為參考，將對電路圖當(dāng)中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析和講解。想要弄明白兩者之間的關(guān)系，就首先要確定圖1 中TL431 部分里，R1、R3、R5、R6 這四項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值。設(shè)輸出電壓為Vo，輔助繞組整流輸出電壓為12V。該電路利用輸出電壓與TL431 構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓比較，通過光電耦合器PC817 的電流變化去控制TOP 管的C 極，從而改變PWM 寬度，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。因?yàn)楸豢貙ο笫荰OP 管，因此首先要搞清TOP 管的控制特性。從TOPSwicth 的技術(shù)手冊可知，流入控制腳C 的電流Ic 與占空比D 成反比關(guān)系，如圖2 所示。

Ic 的電流應(yīng)在2-6mA 之間，PWM 會(huì)線性變化，因此PC817 三極管的電流Ice 也應(yīng)在這個(gè)范圍變化。而Ice 是受二極管電流If 控制的，通過PC817 的Vce 與If 的關(guān)系曲線(如圖3 所示)，可以正確確定PC817 二極管正向電流If。從圖3 可以看出，當(dāng)PC817 二極管正向電流If 在3mA 左右時(shí)，三極管的集射電流Ice 在4mA 左右變化，而且集射電壓Vce 在很寬的范圍內(nèi)線性變化，符合TOP 管的控制要求。

因此可以確定選PC817 二極管正向電流If 為3mA。再看TL431 的要求，從TL431 的技術(shù)參數(shù)可知，Vka 在2.5V-37V 變化時(shí)，Ika 可以在1mA 到100mA 內(nèi)很大范圍的變化，一般選20mA 即可，既可以穩(wěn)定工作，又能提供一部分死負(fù)載。不過對于TOP 器件因?yàn)樗镭?fù)載很小，只選3-5mA 左右就可以了。

上面的幾個(gè)關(guān)系很重要，有它們的鋪墊，文章開頭我們提到的那幾個(gè)電阻數(shù)值就比較容易確定了。根據(jù)TL431 的性能，R5、R6、Vo、Vr 有固定的關(guān)系：Vo=(1+ R5/R6) Vr

在式中，Vo 為輸出電壓、Vr 為參考電壓、Vr=2.50V，先取R6 一個(gè)值，例如R6=10k，根據(jù)Vo 的值就可以算出R5 了。

再來確定R1 和R3。由前所述，PC817 的If 取3mA，先取R1 的值為470Ω，則其壓降為Vr1=If* R1，由PC817 技術(shù)手冊知，其二極管的正向壓降Vf 典型值為1.2V，則可以確定R3 上的壓降Vr3=Vr1+Vf，又知流過R3 的電流Ir3=Ika-If，因此R3 的值可以計(jì)算出來：R3=Vr3/Ir3= (Vr1+Vf)/( Ika-If)

根據(jù)以上計(jì)算可以知TL431 的陰極電壓值Vka，Vka=Vo’-Vr3，式中Vo’取值比Vo 大0.1-0.2V 即可，舉一個(gè)例子，Vo=15V，取R6=10k。R5=(Vo/Vr-1)R6=(12/2.5-1)*10=50K;取R1=470Ω，If=3mA、Vr1=If* R1=0.003*470=1.41V、Vr3=Vr1+Vf=1.41+1.2=2.61V。

取Ika=20mA、Ir3=Ika-If=20-3=17、R3= Vr3/ Ir3=2.61/17=153Ω。

TL431 的陰極電壓值Vka、Vka=Vo’-Vr3=15.2-2.61=12.59V。

結(jié)果：R1=470Ω、R3=150Ω、R5=10KΩ、R6=50K。

這樣就順利的求出了幾個(gè)關(guān)鍵電阻的阻值。但是可能有些朋友可能并沒有完全看懂，下面就附上技術(shù)高手的更詳細(xì)補(bǔ)充。

關(guān)于R6 的數(shù)值，這個(gè)參數(shù)的阻值并不是隨意決定的。要考慮兩個(gè)因素，第一、TL431參考輸入端的電流。一般此電流為2uA 左右，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪音的影響，一般取流過電阻R6 的電流為參考段電流的100 倍以上，所以此電阻要小于2.5V/200uA=12.5K。第二、待機(jī)功耗的要求。如有此要求，在滿足小于12.5K 的情況下盡量取大值。

TL431 要求有1mA 的工作電流，也就是R1 的電流接近于零時(shí)，也要保證TL431 有1mA，所以R3≤1.2V/1mA=1.2K 即可。除此以外也是功耗方面的考慮。R1 的取值要保證TOP 控制端取得所需要的電流，假設(shè)用PC817A，其CTR=0.8-1.6，取低限0.8，要求流過光二極管的最大電流為6/0.8=7.5mA，所以R1 的值≤(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K，光二極管能承受的最大電流在50mA 左右，TL431 為100mA，所以我們?nèi)×鬟^R1 的最大電流為50mA，R1>(15-2.5-1.3)/50=226 歐姆。

為了提升低頻上的增益以及壓制低頻波紋，就需要R5C4 制造一個(gè)原點(diǎn)上的極點(diǎn)。也就是靜態(tài)誤差，R4C4 形成一個(gè)零點(diǎn)，來提升相位，要放在帶寬頻率的前面來增加相位裕度，具體位置要看其余功率部分在設(shè)計(jì)帶寬處的相位是多少，R4C4 的頻率越低，其提升的相位越高，當(dāng)然最大只有90 度，但其頻率很低時(shí)低頻增益也會(huì)減低，一般放在帶寬的1/5 處，約提升相位78 度。

至此，從文章開頭的TL431 與PC817 的配合，到剛才提到的，關(guān)于TL431 取樣補(bǔ)償部分除補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)外，其他元件值的計(jì)算方法，到這里就全部為大家介紹完畢。希望各位在閱讀過本篇文章后能夠?qū)L431 和PC817 之間的配合有進(jìn)一步的了解。

審核編輯：彭菁