TL431精密可調(diào)分流穩(wěn)壓器：原理、應(yīng)用與設(shè)計指南

TL431是一款應(yīng)用極為廣泛的精密可調(diào)分流穩(wěn)壓器，因其卓越的性能、低成本和靈活的應(yīng)用方式，在電源管理、電壓參考、開關(guān)電源反饋回路等領(lǐng)域占據(jù)了不可替代的地位。它本質(zhì)上是一個可編程的齊納二極管，能夠提供一個高精度的電壓參考，并具備驅(qū)動能力，使其成為各種穩(wěn)壓和電壓監(jiān)測電路的理想選擇。

TL431引腳圖與引腳功能

TL431通常采用多種封裝形式，其中最常見的是TO-92、SOT-23和SOP-8。盡管封裝不同，但其核心功能引腳是相同的。

• TO-92封裝（三引腳）：

• 陰極 (Cathode, K)：這是TL431的輸出端，通常連接到需要穩(wěn)壓的電路點。通過該引腳流過TL431的電流，其電壓被調(diào)節(jié)。

• 陽極 (Anode, A)：這是TL431的公共接地端或參考端。在大多數(shù)應(yīng)用中，它連接到電路的地。

• 參考輸入 (Reference Input, REF)：這是TL431的控制端。它與內(nèi)部的2.5V精密參考電壓進行比較。當(dāng)REF引腳的電壓超過2.5V時，TL431的陰極-陽極之間的等效電阻減小，從而允許更大的電流流過。

• SOT-23封裝（三引腳）：引腳功能與TO-92相同，只是封裝尺寸更小，適用于空間受限的應(yīng)用。

• SOP-8封裝（八引腳）：雖然有八個引腳，但通常只有三個核心功能引腳被使用，其余引腳可能是NC（未連接）或用于多路TL431集成在同一個芯片內(nèi)。核心功能引腳的定義與TO-92和SOT-23相同。

理解這些引腳的功能是正確使用TL431的關(guān)鍵。陰極和陽極構(gòu)成了一個可變電阻，其阻值由參考輸入端的電壓控制。這種控制機制使得TL431能夠精確地調(diào)整流過自身的電流，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

TL431工作原理深度解析

TL431的核心是一個高增益的誤差放大器和一個精密電壓參考。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)包括一個基準(zhǔn)電壓源、一個比較器和一個輸出晶體管。

當(dāng)TL431的參考輸入（REF）電壓低于內(nèi)部的2.5V精密基準(zhǔn)電壓時，誤差放大器輸出高電平，驅(qū)動輸出晶體管處于高阻態(tài)（關(guān)斷），此時陰極（K）和陽極（A）之間相當(dāng)于開路，流過TL431的電流很小。

當(dāng)REF電壓等于或略高于2.5V時，誤差放大器開始工作，其輸出會調(diào)節(jié)輸出晶體管的導(dǎo)通程度。如果REF電壓略高于2.5V，誤差放大器會降低輸出晶體管的等效電阻，允許更多的電流從陰極流向陽極。這會使得陰極的電壓下降，從而將REF電壓拉回到2.5V。反之，如果REF電壓低于2.5V，誤差放大器會增加輸出晶體管的等效電阻，減少電流，使得陰極電壓上升，將REF電壓推向2.5V。

通過這種負(fù)反饋機制，TL431能夠?qū)EF引腳的電壓精確地穩(wěn)定在2.5V。其穩(wěn)壓的本質(zhì)是TL431像一個可變電阻一樣，通過改變自身的導(dǎo)通程度來吸收或釋放電流，從而維持其陰極電壓的穩(wěn)定，或者通過分壓電阻網(wǎng)絡(luò)將某個輸出電壓穩(wěn)定在期望值。

TL431的等效電路可以看作是一個受控電流源，其電流大小由REF引腳電壓與內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓的差值決定。這種特性使得TL431不僅可以用作簡單的齊納二極管替代品，更可以作為精密電壓比較器和誤差放大器來使用。

TL431典型應(yīng)用電路

TL431的強大之處在于其應(yīng)用的靈活性。以下是幾個典型的應(yīng)用示例：

1. 精密可調(diào)穩(wěn)壓電源

這是TL431最常見的應(yīng)用之一。通過在REF引腳連接一個分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，可以設(shè)定一個精確的輸出電壓。

       ┌───────┐
Vin────┤       ├───Vout
       │ TL431 │
       │       │
       └─┬─┬─┬─┘
         │ │ │
         R1│ │
         │ │ │
         R2│REF│
         │ │ │
         GND─┴─┴─K
             A

• 電路描述：在這個電路中，TL431的陰極（K）連接到輸出電壓Vout，陽極（A）接地。REF引腳通過分壓電阻R1和R2連接到Vout。輸出電壓通過以下公式確定：

  V_out=V_reftimes(1+fracR1R2)

  其中 V_ref 是TL431內(nèi)部的2.5V參考電壓。通過選擇合適的R1和R2的比例，可以精確地設(shè)置Vout。例如，如果R1 = R2，則Vout = 5V。

• 工作原理：當(dāng)Vout偏離設(shè)定值時，REF引腳的電壓也會偏離2.5V。TL431的內(nèi)部誤差放大器會檢測到這個偏差，并調(diào)整其陰極-陽極之間的導(dǎo)通程度，從而改變流過負(fù)載和TL431的電流分配，將Vout拉回到設(shè)定值。如果Vout過高，REF電壓會超過2.5V，TL431會更導(dǎo)通，Vout下降；如果Vout過低，REF電壓會低于2.5V，TL431會截止，Vout上升。

2. 固定電壓基準(zhǔn)

TL431可以作為高精度的固定電壓基準(zhǔn)，例如2.5V基準(zhǔn)。

       ┌───────┐
Vin────┤       ├───Vout = 2.5V
       │ TL431 │
       │       │
       └─┬─┬─┬─┘
         │ │ │
         K │REF│
         │ │ │
         A─┴─┴─GND

• 電路描述：將TL431的REF引腳直接連接到陰極（K），陽極（A）接地。此時，TL431會努力將其陰極電壓穩(wěn)定在2.5V。

• 工作原理：由于REF引腳直接反饋陰極電壓，TL431會強制陰極電壓等于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5V，從而提供一個高精度的2.5V電壓基準(zhǔn)。這種用法非常簡單，但提供了優(yōu)于普通齊納二極管的精度和溫度穩(wěn)定性。

3. 開關(guān)電源（SMPS）反饋回路

TL431在隔離型開關(guān)電源中扮演著至關(guān)重要的角色，常與光耦配合使用，將輸出電壓信息反饋給原邊控制器，實現(xiàn)穩(wěn)壓。

                      ┌────────┐
Vout──────────────────┤   R1   ├───┐
                      └────────┘   │
                                   REF
                                   │  ┌───────┐
                      ┌────────┐   ├──┤ TL431 │
                      │   R2   │   │  └─┬─┬─┬─┘
                      └────────┘   │    │ │ │
                                   │    K │ │
                                   │    │ │ │
                                   │    A │ │
                                   │    │ │ │
                                   └────┴─┴─R3───┬───┐
                                                  │   │
                                                  │   │
                                            Optocoupler│
                                                  │   │
                                                  │   │
                                                GND───┴───GND_secondary

• 電路描述：在典型的反激或正激拓?fù)渲?，TL431通常放置在次級側(cè)。它通過R1和R2分壓網(wǎng)絡(luò)檢測輸出電壓Vout，并將分壓后的電壓（即REF引腳電壓）與2.5V基準(zhǔn)進行比較。TL431的陰極（K）通過限流電阻R3連接到光耦的LED正極，光耦的負(fù)極接地。

• 工作原理：當(dāng)輸出電壓Vout偏離設(shè)定值時，REF引腳電壓隨之變化。TL431會調(diào)節(jié)流過光耦LED的電流。如果Vout過高，REF電壓超過2.5V，TL431會更導(dǎo)通，增加流過LED的電流，光耦發(fā)光增強，原邊控制器接收到的信號發(fā)生變化，從而減小占空比，拉低輸出電壓。反之，如果Vout過低，TL431會減少流過LED的電流，光耦發(fā)光減弱，原邊控制器增加占空比，抬高輸出電壓。通過這種光隔離的反饋機制，實現(xiàn)了對輸出電壓的精確調(diào)節(jié)。

4. 過壓/欠壓保護電路

TL431的精密比較功能使其非常適合用于實現(xiàn)過壓或欠壓保護。

• 過壓保護：通過設(shè)置分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸入電壓超過某一閾值時，TL431的REF引腳電壓達到2.5V，TL431導(dǎo)通，觸發(fā)一個保護機制（例如拉低某個控制信號，或驅(qū)動繼電器切斷電源）。

• 欠壓保護：同樣地，可以設(shè)計電路，當(dāng)輸入電壓低于某一閾值時，TL431截止或?qū)?，從而觸發(fā)保護動作。

TL431的關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)計注意事項

在使用TL431進行電路設(shè)計時，需要關(guān)注以下幾個關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)計要點：

1. 最小陰極電流 (I_K(min))

為了使TL431正常工作并維持其參考電壓的精度，必須保證流過陰極的電流(I_K)不低于其最小陰極電流。通常，這個值在1mA左右，具體數(shù)值需要查閱數(shù)據(jù)手冊。如果電流過小，TL431可能無法正常穩(wěn)壓，其REF引腳電壓可能不穩(wěn)定。在設(shè)計分壓電阻R1和R2時，需要確保即使在輕載條件下，TL431也能獲得足夠的偏置電流。

2. 最大陰極電流 (I_K(max))

TL431的陰極電流也有一個最大限制，通常在100mA左右。超過這個值可能會損壞器件。在設(shè)計輸出電路時，需要確保在任何工作條件下，流過TL431的電流不會超過這個限制。特別是在作為分流穩(wěn)壓器時，負(fù)載電流的最小值和穩(wěn)壓器的設(shè)計電流需要共同考慮。

3. 參考電壓精度 (V_ref Tolerance)

TL431通常有不同的精度等級，例如0.5%、1%或2%。更高的精度意味著更小的輸出電壓誤差。在對穩(wěn)壓精度要求較高的應(yīng)用中，應(yīng)選擇更高精度的TL431版本。

4. 溫度系數(shù) (Temperature Coefficient)

TL431的參考電壓(V_ref)會隨溫度變化而略有漂移。溫度系數(shù)表示這種漂移的程度，通常以ppm/°C（百萬分之幾每攝氏度）表示。在寬溫度范圍工作的應(yīng)用中，應(yīng)考慮其溫度系數(shù)對穩(wěn)壓精度的影響。

5. 穩(wěn)定性補償

TL431是一個高增益器件，在某些應(yīng)用中，為了防止振蕩，可能需要在REF引腳或陰極連接補償電容。特別是在與輸出電容較大的負(fù)載連接時，或者在開關(guān)電源反饋回路中，合理的補償至關(guān)重要。補償電容的選擇通常需要根據(jù)具體電路的頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性要求進行調(diào)整。例如，在分流穩(wěn)壓器配置中，一個與R1并聯(lián)的小電容（如10nF-100nF）可以改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

6. 分壓電阻的選擇

• 精度：選擇高精度的分壓電阻（如1%或0.1%）可以提高輸出電壓的精度。

• 溫度漂移：電阻的溫度系數(shù)也應(yīng)考慮，以減少溫度對輸出電壓的影響。

• 功耗：電阻在承受電壓時會有功耗，需要選擇足夠功率額定值的電阻。

• 分流電流：分壓電阻的總電流應(yīng)該比流過REF引腳的偏置電流大得多，以確保REF引腳電流對分壓比的影響可以忽略不計。通常，流過R1和R2的分壓電流應(yīng)至少是REF引腳偏置電流的100倍。

7. ESR和ESL對穩(wěn)定性的影響

在開關(guān)電源反饋回路中，輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）會影響TL431的反饋環(huán)路穩(wěn)定性。低ESR電容通常有助于提高穩(wěn)定性。

8. 噪聲抑制

在對噪聲敏感的應(yīng)用中，可以在TL431的REF引腳和地之間放置一個小電容（例如0.1μF），以旁路高頻噪聲。

結(jié)論

TL431作為一款功能強大的精密可調(diào)分流穩(wěn)壓器，其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)超簡單的齊納二極管。從構(gòu)建高精度穩(wěn)壓電源到作為開關(guān)電源的關(guān)鍵反饋元件，再到各種電壓監(jiān)測和保護電路，TL431以其卓越的性能和成本效益，成為了電子工程師工具箱中不可或缺的器件。深入理解其引腳功能、工作原理以及設(shè)計注意事項，是充分發(fā)揮TL431潛力的關(guān)鍵。通過精心的電路設(shè)計和參數(shù)選擇，TL431能夠幫助我們實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、高精度的電源管理解決方案。