AZ431：精密可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器

AZ431是一款廣泛應用于各種電源管理和穩(wěn)壓電路中的高性能、精密可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器（Shunt Regulator），或通常被稱為可編程穩(wěn)壓二極管（Programmable Zener Diode）。它在許多電子設備中扮演著至關重要的角色，從簡單的直流-直流轉(zhuǎn)換器到復雜的開關電源，以及各種穩(wěn)壓、過壓保護和電流限制電路。AZ431以其高精度、寬電壓范圍、低溫度系數(shù)以及靈活的外部配置能力而備受工程師青睞。

AZ431 的核心功能與工作原理

AZ431的核心功能是提供一個精確可調(diào)的參考電壓，并在其陰極電壓達到這個參考電壓時，通過調(diào)節(jié)其陽極-陰極之間的電流來維持輸出電壓的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)的固定電壓穩(wěn)壓二極管不同，AZ431的輸出電壓并非固定值，而是可以通過外部電阻分壓網(wǎng)絡進行精確編程。

等效電路模型

為了更好地理解AZ431的工作原理，我們可以將其視為一個內(nèi)部集成了精密參考電壓源、高增益誤差放大器以及一個NPN型輸出晶體管的集成電路。

• 精密參考電壓源： AZ431內(nèi)部集成了一個非常穩(wěn)定的參考電壓，通常被稱為內(nèi)部基準電壓 (VREF)。對于大多數(shù)AZ431型號，這個基準電壓典型值為2.5V。這個基準電壓是AZ431能夠提供精確穩(wěn)壓的基礎。它對溫度變化和電源電壓波動具有很好的抑制能力，確保了穩(wěn)壓的穩(wěn)定性。

• 高增益誤差放大器： 誤差放大器的作用是比較AZ431的參考（R）引腳電壓與內(nèi)部基準電壓 (VREF)。R引腳通常通過外部電阻分壓器連接到被調(diào)節(jié)的輸出電壓。當R引腳的電壓與內(nèi)部基準電壓不相等時，誤差放大器會產(chǎn)生一個誤差信號。這個誤差信號的增益非常高，意味著即使很小的電壓偏差也能引起顯著的輸出響應。

• NPN型輸出晶體管： 誤差放大器的輸出連接到內(nèi)部NPN型晶體管的基極。這個晶體管的集電極連接到AZ431的陰極（K）引腳，發(fā)射極連接到陽極（A）引腳。誤差放大器產(chǎn)生的誤差信號會控制NPN晶體管的導通程度，從而調(diào)節(jié)流過AZ431的電流 (IK)。

穩(wěn)壓過程詳解

當AZ431被配置為并聯(lián)穩(wěn)壓器時，其陰極（K）通常連接到需要穩(wěn)壓的輸出電壓點，陽極（A）連接到地或一個負電源軌，而參考（R）引腳通過一個分壓電阻網(wǎng)絡連接到陰極。

1. 電壓采樣： 輸出電壓通過外部電阻分壓器（R1和R2）進行采樣，并將分壓后的電壓反饋到AZ431的參考（R）引腳。

2. 誤差比較： AZ431內(nèi)部的誤差放大器會比較R引腳的采樣電壓與內(nèi)部的2.5V基準電壓 (VREF)。

3. 電流調(diào)節(jié)：

• 如果R引腳電壓高于VREF（即輸出電壓偏高），誤差放大器會增大其輸出，導致內(nèi)部NPN晶體管的導通程度增加，從而使流過AZ431的陰極電流 (IK) 增大。由于AZ431是并聯(lián)在負載上的，增加的IK會分流更多的電流，使得流向負載的電流減少，從而將輸出電壓拉低。

• 如果R引腳電壓低于VREF（即輸出電壓偏低），誤差放大器會減小其輸出，導致內(nèi)部NPN晶體管的導通程度減小，從而使流過AZ431的陰極電流 (IK) 減小。減少的IK意味著流向負載的電流增加，從而將輸出電壓拉高。

4. 達到平衡： 這個反饋回路會一直工作，直到R引腳的電壓精確地等于內(nèi)部基準電壓2.5V。此時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓被精確地穩(wěn)定在預設值。

通過調(diào)節(jié)外部電阻分壓器（R1和R2）的比例，我們可以精確地設定AZ431所要穩(wěn)定輸出的電壓。其輸出電壓 (VOUT) 的計算公式為：

VOUT=VREF×(1+R2R1)

其中，VREF通常為2.5V。

AZ431 的主要特性與參數(shù)

AZ431之所以廣泛應用，得益于其優(yōu)異的電氣特性。了解這些參數(shù)對于正確選擇和設計電路至關重要。

1. 可編程輸出電壓

這是AZ431最顯著的特點。通過外部電阻分壓網(wǎng)絡，輸出電壓可以從VREF（通常為2.5V）調(diào)節(jié)到最高36V（具體取決于型號）。這種靈活性使其適用于多種電壓軌的穩(wěn)壓。

2. 精密參考電壓 (VREF)

AZ431的內(nèi)部基準電壓非常精確，典型值為2.5V，且具有較低的容差。這保證了其在各種應用中都能提供高精度的穩(wěn)壓。

3. 低輸出阻抗

在正常工作范圍內(nèi)，AZ431表現(xiàn)出非常低的動態(tài)輸出阻抗，這意味著它能夠有效地抑制負載變化和電源波動對輸出電壓的影響。

4. 寬工作電流范圍

AZ431通常可以在較寬的陰極電流范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，例如從1mA到100mA或更大（具體取決于型號）。這使得它能夠適應不同負載條件下的電流需求。

5. 低溫度系數(shù)

AZ431的內(nèi)部基準電壓具有非常低的溫度系數(shù)，這意味著其輸出電壓隨溫度變化的漂移很小。這對于要求在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性能的電路至關重要。

6. 寬工作溫度范圍

大多數(shù)AZ431型號都支持較寬的工作溫度范圍，例如-40°C至85°C，甚至更寬的工業(yè)級和汽車級溫度范圍。

7. 快速響應時間

AZ431具有較快的瞬態(tài)響應能力，能夠迅速響應輸入電壓或負載電流的變化，從而有效地維持輸出電壓的穩(wěn)定。

8. 多種封裝形式

AZ431提供多種標準封裝，如SOT-23、TO-92、SOP-8等，方便工程師根據(jù)電路板空間和功耗要求進行選擇。

9. 內(nèi)部保護

部分AZ431型號可能集成有內(nèi)部過流或過熱保護，以提高器件的魯棒性，但通常對于并聯(lián)穩(wěn)壓器，外部保護措施更為常見。

AZ431 的典型應用電路

AZ431作為一種多功能器件，其應用場景非常廣泛。以下是一些常見的典型應用：

1. 精密可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器

這是AZ431最基本和最常見的應用。通過外部電阻分壓器（R1和R2），可以精確地設定輸出電壓。

電路描述：

• 一個限流電阻R_limit串聯(lián)在輸入電源和AZ431的陰極之間，用于限制通過AZ431的電流，并吸收當負載電流減小時AZ431需要分流的額外電流。

• AZ431的陰極（K）連接到穩(wěn)壓輸出點。

• AZ431的陽極（A）接地。

• R1和R2構成一個分壓器，從陰極取樣輸出電壓，并將其反饋到參考（R）引腳。

• 在陰極和地之間可以并聯(lián)一個濾波電容C_out，以進一步平滑輸出電壓并改善瞬態(tài)響應。

工作原理：

當輸出電壓升高時，通過R1和R2分壓后反饋到R引腳的電壓也隨之升高，超過2.5V。AZ431內(nèi)部誤差放大器檢測到這個差異，并驅(qū)動內(nèi)部晶體管導通更深，從而增加流過AZ431的電流 (IK)。這會使得限流電阻R_limit上的壓降增加，從而將輸出電壓拉低，直至R引腳電壓回到2.5V。反之亦然。

2. 開關電源（SMPS）的反饋回路

在開關電源，尤其是反激式（Flyback）和正激式（Forward）轉(zhuǎn)換器中，AZ431常用于隔離的反饋環(huán)路，為光耦提供精確的誤差信號。

電路描述：

• AZ431的陰極連接到開關電源的輸出電壓通過分壓電阻網(wǎng)絡（R1和R2）。

• 光耦的LED部分串聯(lián)在AZ431的陰極和輸出地之間。

• AZ431的參考（R）引腳連接到R1和R2的分壓點。

• AZ431的陽極連接到輸出地。

工作原理：

AZ431在此作為誤差放大器，將輸出電壓與內(nèi)部2.5V基準電壓進行比較。當輸出電壓偏離設定值時，AZ431會調(diào)節(jié)流過光耦LED的電流。光耦的另一側(cè)連接到開關電源的PWM控制器，從而調(diào)節(jié)開關管的占空比，將輸出電壓穩(wěn)定在設定值。這種配置實現(xiàn)了輸出與初級側(cè)的隔離，同時提供了高精度的穩(wěn)壓。

3. 過壓保護電路

AZ431可以作為一個精密電壓檢測器，用于實現(xiàn)過壓保護。

電路描述：

• AZ431的參考（R）引腳通過分壓電阻網(wǎng)絡連接到被監(jiān)控的電壓。

• 當被監(jiān)控電壓超過預設閾值時，AZ431導通。

• AZ431的陰極可以驅(qū)動一個繼電器、晶閘管或其他保護電路，從而切斷電源或觸發(fā)報警。

工作原理：

通過調(diào)整分壓電阻，設定一個過壓點。當被監(jiān)控電壓超過這個點，導致AZ431的R引腳電壓超過2.5V時，AZ431將導通，其陰極電流顯著增加，從而激活保護機制。

4. 限流電路

通過巧妙的設計，AZ431也可以用于實現(xiàn)簡單的限流功能。

電路描述：

• 一個小的采樣電阻串聯(lián)在負載電流路徑中。

• AZ431的參考（R）引腳連接到采樣電阻的一端，其陰極連接到另一端，或者通過其他方式監(jiān)測采樣電阻上的壓降。

• 當負載電流過大，導致采樣電阻上的壓降達到一定值時，AZ431導通并激活保護。

工作原理：

當電流增大到一定程度時，采樣電阻上的電壓降將導致AZ431的R引腳電壓達到2.5V，從而使其導通，進而限制電流的進一步增加或觸發(fā)保護。

5. 電池充電器

在電池充電器中，AZ431可以用于實現(xiàn)恒壓（CV）充電階段的電壓調(diào)節(jié)。

電路描述：

• AZ431連接到電池兩端，通過分壓電阻設置充電結(jié)束電壓。

• 當電池電壓達到設定值時，AZ431將穩(wěn)壓，從而將充電電流減小到涓流充電水平或停止充電。

工作原理：

與并聯(lián)穩(wěn)壓器類似，AZ431監(jiān)控電池電壓。一旦電池電壓達到目標值，AZ431開始分流電流，使得充電器輸出電壓保持恒定，從而保護電池免受過充。

AZ431 的設計考慮事項與注意事項

在設計使用AZ431的電路時，需要考慮以下幾個關鍵因素，以確保電路的穩(wěn)定性和性能：

1. 最小陰極電流 (IK(min))

AZ431需要一個最小的陰極電流才能正常工作并保持其參考電壓的穩(wěn)定性。這個值通常在數(shù)據(jù)手冊中指定，例如1mA。在設計并聯(lián)穩(wěn)壓器時，即使在空載情況下，也必須確保流過AZ431的電流不低于這個最小值。這通常通過選擇合適的限流電阻或在負載較小時添加一個最小負載電阻來實現(xiàn)。

2. 最大陰極電流 (IK(max))

AZ431可以處理的最大陰極電流也是一個關鍵參數(shù)。超出此電流可能會損壞器件。在選擇限流電阻時，需要確保在最壞情況下（例如輸入電壓最高、輸出電壓最低或負載電流最?。ㄟ^AZ431的電流不會超過其最大額定值。

3. 功耗 (PD)

AZ431在穩(wěn)壓過程中會消耗功率，尤其是作為并聯(lián)穩(wěn)壓器時。其功耗可以通過 PD=VK×IK 來估算，其中VK是陰極電壓，IK是陰極電流。在設計時，需要確保AZ431的功耗不超過其封裝所允許的最大功耗，必要時需要考慮散熱。

4. 外部電阻的選擇（R1和R2）

• 精度： R1和R2的精度直接影響輸出電壓的精度。推薦使用1%或更高精度的電阻。

• 溫度系數(shù)： 選用低溫度系數(shù)的電阻可以減小輸出電壓隨溫度的漂移。

• 電阻值： R1和R2的值不應過大，以避免噪聲干擾和反饋路徑的高阻抗；也不應過小，以免造成過大的功耗。通常，R2的值可以根據(jù)流過分壓器的電流來選擇，確保該電流遠大于AZ431的參考引腳輸入偏置電流 (IREF) 但又不會過大。

5. 穩(wěn)定性與補償

盡管AZ431內(nèi)部集成了誤差放大器，但在某些應用中，特別是在開關電源反饋回路中，可能需要外部補償電容來確保環(huán)路的穩(wěn)定性。這通常是為了防止振蕩。在并聯(lián)穩(wěn)壓器應用中，通常會在AZ431的陰極和地之間并聯(lián)一個小的電容（例如100nF），以改善高頻性能和抑制噪聲。

6. 光耦選擇（在隔離型電源中）

當AZ431與光耦配合使用時，需要選擇合適的電流傳輸比（CTR）的光耦。光耦LED的電流由AZ431控制，因此光耦的CTR會影響整個反饋環(huán)路的增益和穩(wěn)定性。

7. 噪聲與紋波抑制

為了提高輸出電壓的質(zhì)量，建議在AZ431的陰極（K）和地之間放置一個旁路電容，以濾除高頻噪聲和紋波。此外，適當?shù)牟季趾徒拥丶夹g也能有效降低噪聲。

8. 輸入電壓范圍

需要確保輸入電壓在AZ431的陰極-陽極電壓 (VK?A) 工作范圍內(nèi)。AZ431通常具有一個最小工作電壓，通常略高于VREF，以及一個最大額定電壓。

9. 啟動特性

在某些應用中，需要考慮AZ431的啟動特性。例如，在并聯(lián)穩(wěn)壓器中，如果輸入電壓緩慢上升，AZ431可能在達到穩(wěn)定狀態(tài)之前經(jīng)歷一個瞬態(tài)過程。

AZ431 與 TL431 的區(qū)別

在市場上，TL431和AZ431是非常常見的精密可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器，它們的功能和引腳配置幾乎是相同的。AZ431通常是TL431的兼容替代品，由不同的半導體制造商生產(chǎn)。

主要的區(qū)別可能在于：

• 制造商： TL431通常指德州儀器（Texas Instruments）的TL431系列，而AZ431可能由安森美（ON Semiconductor）、臺灣立錡科技（Richtek Technology）等其他廠商生產(chǎn)。

• 性能參數(shù)的細微差異： 盡管功能相同，但不同制造商的產(chǎn)品在某些具體參數(shù)上可能存在細微差異，例如：

• 初始精度（Initial Accuracy）： VREF的初始容差。

• 溫度系數(shù)： VREF隨溫度變化的漂移。

• 最小/最大陰極電流： 允許的工作電流范圍。

• 動態(tài)輸出阻抗： 穩(wěn)壓能力的體現(xiàn)。

• 噪聲特性： 輸出噪聲水平。

• 封裝和命名： 盡管引腳兼容，但在數(shù)據(jù)手冊和零件編號上會有所不同。

• 成本和供貨： 不同品牌的器件在價格和供貨渠道上可能存在差異。

在大多數(shù)通用應用中，TL431和AZ431通?？梢曰Q使用。但在對性能要求極高的場合，建議仔細查閱具體型號的數(shù)據(jù)手冊，以確認其參數(shù)是否滿足設計需求。

總結(jié)

AZ431作為一款功能強大的精密可調(diào)式并聯(lián)穩(wěn)壓器，憑借其高精度、靈活性和可靠性，在現(xiàn)代電子設計中占據(jù)著不可或缺的地位。無論是簡單的電壓穩(wěn)壓、復雜的開關電源反饋，還是各種保護和檢測電路，AZ431都能提供高效而精確的解決方案。掌握其工作原理、電氣特性以及設計考慮事項，對于任何從事電源管理和模擬電路設計的工程師而言都至關重要。通過深入理解其內(nèi)部機制和外部配置方法，工程師可以充分利用AZ431的潛力，設計出性能卓越、穩(wěn)定可靠的電子產(chǎn)品。