TL431应用原理
TL431与PC817应用
开关电源的稳压反馈通常都使用TL431和PC817，如输出电压要求不高，也可以使用稳压二极管和PC817
德州仪器公司（TI）生产的TL431一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。
上图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考
端（REF）。TL431的具体功能可以用如下图的功能模块示意。
由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1 的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，
前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分
流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。
下面我来通过以下典型应用电路来说明TL431,PC817的配合问题。电路图
流，一般此电流为2uA左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R13的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K. 2)待机功耗的要求，如有此要求，在满足《12.5K的情况下尽量取大值。
TL431的死区电流为1mA，也就是R6的电流接近于零时，也要保证431有1mA，所以R17<=1.2V/1mA=1.2K即可。除此以外也是功耗方面的考虑，R17是为了保证死区电流的大小，R17可要也可不要，当输出电压小于7.5v时应该考虑必须使用，原因是这里的R17既然是提供TL431死区电流的，那么在发光二极管导通电压不足时才有用，如果发光二极管能够导通，就可以提供TL431 足够的死区电流，如果V o很低的时候，计算方法就改为R17=（V o-Vk）/1mA（这里Vk=Vr-0.7=1.8v）；当V o=3.3V时R17 从死区电流的角度看临界最大值R17=（3.3-1.8）/1mA=1.5k，从YL431限流保护的角度看临界最小值为R17=（3.3-1.8）/100mA=15Ω。当V o较高的时候，也就是V o大于Vk+Vd的时候，也就是差不多7.5v以上时，TL431所需的死区电流可以通过发光二极管的导通提供，所以这是可以不用R17。
R6的取值要保证高压控制端取得所需要的电流，假设用PC817（U1-B），其CTR=0.8-1.6,取低限0.8，要求流过光二极管的最大电流=6/0.8=7.5mA,所以R6的值<=(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K,光二极管能承受的最大电流在50mA左右，TL431为100mA，所以我们取流过R6的最大电流为50mA，R6>（15-2.5-1.3)/50=226欧姆。要同时满足这两个条件：226 有的电路设计中增加提升低频增益电路，用一个电阻和一个电容串接于控制端和输出端，来压制低频（100Hz）纹波和提高输出调整率，即静态误差，牡电就是提升相位，要放在带宽频率的前面来增加相位裕度，具体位置要看其余功率部分在设计带宽处的相位是多少，电阻和电容的频率越低，其提升的相位越高，当然最大只有90度，但其频率很低时低频增益也会减低，一般放在带宽的1/5初，约提升相位78度。 流过U1-A的电流Ic的电流应在2－6mA之间，开关脉宽调制会线性变化，因此PC817三极管的电流Ice也应在这个范围变化。 而Ice是受二极管电流If控制的，我们通过PC817的Vce与If的关系曲线(如图3所示)可以正确确定PC817。 从图3可以看出，当PC817二极管正向电流If在3mA左右时，三极管的集射电流Ice在4mA左右变化，而且集射电压Vce在很宽 的范围内线性变化。符合控制要求。因此可以确定选PC817二极管正向电流If为3mA。再看TL431的要求。从TL431的技术参数知，Vka在2.5V－37V变化时，Ika可以在从1mA到100mA以内很大范围里变化，一般选20mA即可，既可以稳定工作，又能提供一部分死负载。因此只选3-5mA左右就可以了。 确定了上面几个关系后，那几个电阻的值就好确定了。根据TL431的性能，R11、R13、V o、Vr有固定的关系：V o=(1+ R11/R13) Vr 式中，V o为输出电压，Vr为参考电压，Vr＝2.50V，先取R13值，例如R13＝10k，根据V o的值就可以算出R11了。 再来确定R6和R17。由前所述，PC817的If取3mA，先取R6的值为470Ω，则其上的压降为Vr6＝If* R6,由PC817技术手册知，其二极管的正向压降Vf典型值为1.2V，则可以确定R17上的压降Vr17＝Vr６+Vf，又知流过R17的电流Ir17＝Ika－If，因此R17的值可以计算出来：R17= Vr17/ Ir17= (Vr6+Vf)/( Ika－If) 根据以上计算可以知道TL431的阴极电压值Vka，Vka＝V o’－Vr17，式中V o’取值比V o大0.1－0.2V即可。 举一个例子，V o＝15V,取R13=10k，R11＝（V o/Vr-1）R13=(12/2.5-1)*10=50K;取R6＝470Ω，If＝3mA，Vr6＝If* R6＝0.003*470＝1.41V；Vr17＝Vr６+Vf＝1.41+1.2＝2.61V; 取Ika =20mA，Ir17＝Ika－If ＝20－3＝17，R17= Vr17/ Ir17=2.61/17=153Ω; TL431的阴极电压值Vka，Vka＝V o’－Vr17=15.2-2.61=12.59V 结果：R6＝470Ω、R17＝150Ω、R1３＝10KΩ、R1１＝50K。 利用TL43l作大功率可调稳压电源 精密电压基准ic t1431是to—92封装如图1所示。其性能是输出电匝连续可调达36v，工作电流范围宽达 0.1—100ma，动态电阻典型值为0.22欧，输出杂波低。图2是tl431的典型应用，其中③、②脚两端输出电压 v＝2.5(r2十r3)v／r3。如果改变r2的阻值大小，就可以改变输出基准点压大小。图3是利用它作电压基准和驱动外加场效应管k790作调整管构成的输出电流大(约6a)、电路简单、安全的稳压电源。 工作原理如图3所示，220v电压经变压器b降压、d1--d4整流、c1滤波，此外d5、d6、c2、c3组成倍压电路(使得vdt；60v)，rw、r3组成分压电路，tl43l、r1组成取样放大电路，9013、r2组成限流保护电路，场场效应管k790作调整管(可直接并联使用)以及c5是输出滤波器电路等 稳压过程是：当输出电压降低时，f点电位降低，经tl431内部放大使e点电压增高，经k790调整后，b点电位升高；反之，当输出电压增高时，f点电位升高，e点电位降低，经k790调整后，b点电位降低。从而使输出电压稳定。当输出电流大于6a时，三极管9013处于截止，使输出电 流被限制在6a以内，从而达到限流的目的。本电路除电阻r1选用2w、r2选用5w外，其它元件无特殊要求，其元件参数如图3所示。 TL431特性及应用 1 TL431的简介 德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态 阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放 左图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANOD ）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用如图1的功能模块示意。 由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。 REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时， 而且随着REF端电压的微小变化， 图1 的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实 的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。 2.恒压电路应用 前面提到TL431的内部含有一个2.5V REF端引入输出反馈 2所示的电路， R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压 V o增大，反馈量增大，TL43 的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显 这个深度的负反馈电路必然在VI等于基 此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选 R1和R2的值可以得到从2.5V到3 6V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证T L431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。 当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法。将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图3，4。 图3 大电流的分流稳压电路图4 精密5V稳压器 3.恒流电路应用 由前面的例子我们可以看到，器件作为分流反馈后，REF端的电压始终稳定在2.5V，那么接在REF端和地间的电阻中流过的电流就应是恒定的。利用这个特点，可以将TL431应用很多恒流电路中。 如左图5是一个实用的精密恒流源电路。原理很简单，不再赘述。但值 TL431的温度系数为30ppm/℃，所以输出恒流的温度特性要比 因而在应用中无需附加温度补偿电路。 图5下面就介绍一个用该器件为传感器电 6。 这是一个已连成桥路的硅压传感器的前级 Vref/R2的值应设为电桥工作所必要 的恒定电流，该电流值通常会由传感器制造商提供。流经TL431 电流由R1和电源电压Vs 定要注意大于1mA。 由于TL431 很多，设计原理并不复杂，本文不再一一介绍。 4.可控分流特性的应用 由第1节介绍的功能模块图，当REF端的电压有微小变化时，从阴极到阳极的分流将随之在1～100mA内变化。利用这种可控分流的特性，可以用小的电压变化控制继电器、指示灯等，甚至可直接驱动音频电流负载。如图7是此应用的一个简单400mW单声道功率放大电路。 图7 5.在开关电源上的应用 在过去的普通开关电源设计中，通常采用将输出电压经过误差放大后直接反馈到输入端的模式。这种电压控制的模式在某些应用中也能较好地发挥作用，但随着技术的发展，当今世界的电源制造业大多已采用一种有类似拓扑结构的方案。此类结构的开关电源有以下特点：输出经过TL431(可控分流基准)反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。上图是一个实用的4W开关型5V直流稳压电源的电路。该电路采用了此种拓扑结构并同时使用了TOPSwitch技术。图中C1、L1、C8和C9构成EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的电流模式PWM控制器芯片，它接受反馈并控制整个电路的工作。D3、C3是次极整流滤波电路，L2和C4组成低通滤波以降低输出纹波电压。R2和R3是输出取样电阻，两者对输出的分压通过TL431的REF端来控制该器件从阴极到阳极的分流。这个电流又是直接驱动光耦U2的发光部分 的。那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大。U1在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落。事实上，上面讲述的过程在极短的时间内就会达到平衡，平衡时Vref=2.5V，又有R2=R3，所以输出为稳定的5V。这里要注意的是，不再能通过简单地改变取样电阻R2、R3的值来改变输出电压，因为在开关电源中每个元件的参数对整个电路工作状态的影响都会很大。按图中所示参数时，电路可在90VAC～264VAC（50/ 60Hz）输入范围内，输出+5V，精度优于±3%，输出功率为4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。