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TL431的应用电路及注意事项

硬件攻城狮 来源:硬件攻城狮 2023-09-25 12:29 次阅读

1. TL431简介

TL431是常用的三端并联稳压器,具有较好的热稳定性,输出电压可以设置为Vref~36V之间的任何值。被广泛用作基准源、比较器、运放等功能。在隔离电源中,TL431经常与光耦配合构成隔离反馈回路;在采样或保护电路中,TL431经常作为ADC、比较器的基准源。

下表为TL431的基础参数

MIN MAX
VKA(阴极电压) Vref(一般为1.25V或2.5V) 36V(同时也是IC的极限耐压)
IKA(阴极电流 1mA 100mA
ZKA(动态阻抗) 0.2R(TYP) 0.5R
TA(工作温度) 尾缀C: 0~70摄氏度;尾缀I: -40~85摄氏度;尾缀Q:-40~125摄氏度

与许多电压基准源不同,TL431可以自由调节基准电压值,但会受到外部电阻的精度影响,相对于专用的高精度基准源,TL431的精度偏低,温度稳定性也较差。许多LDO也能达到0.5%的精度,但容易受负载影响,下图是TL431与其他电压源的简单比较。

比较对象 电压精度 温漂 温度系数
可调并联稳压器
TL43xB
0.5% min 6mV min ≈100 ppm/°C max
高精度电压基准源
REF70(7美元)
0.025% max / 2 ppm/°C max
线性电压稳压器
LDO
最高可达0.1%或0.5%。比如TPS785可以达到0.1% min,最大电流1A输出,不同负载下精度不同,最大会达到1.7%。

TL431的三个外部引脚分别为阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端(REF)。

下图为TL431的等效框图和内部细节图,Vref是一个内部的2.5V基准源,接在运放的反相输入端。当REF端(同相端)的电压非常接近Vref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,通过内部功率三极管的电流将发生变化。

等效框图 细节图
e9e32dac-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png e9f04fdc-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

2. TL431内部基准源

TL431常温电压精度可以达到0.5%(B Grade),具有较高的温度稳定性。如此温度特性得益于其内部的带隙基准电路,其基本原理是将两个相反温度系数的电压以一定权重相加,使输出的基准电压具有接近理想的零温度系数表现。

如下图所示,常规双极型晶体管的基极-发射极电压或PN节二极管具有负温度系数(计作VBE),而如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下,那么他们的VBE之差就会与热电压VT成正比,具有正温度系数(计作ΔVBE)。将VBE和ΔVBE线性叠加,最终输出的Vref电压将实现接近理想的零温度系数。

正、负温度系数叠加示意图
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下图为VBE和ΔVBE关于正负温度系数的推导图,根据两者的表达式,分别对温度求导,可以分别得到负、正温度系数值。(注:图中VBE的求导表达式结果与实际不一致,但其温度表现确为负系数)

VBE负温度系数 ea023c60-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png
ΔVBE正温度系数 ea141ca0-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

根据TI规格书所标注的内部电路参数,可以计算反推得到Vref相关的alpha1、alpha2系数。其中正、负温度系数所对应的电路结构如下图所示,最后可以得到。

表达式对应的电路结构
ea1f4828-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png
Vref反算过程
ea2b2a3a-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

3. TL431典型应用

3.1 恒压电路

TL431的最典型电路为恒压电路。依靠内部基准源和运放结构,我们可以将TL431阴极输出端连接至VREF端使电路工作在闭环状态,Vref端电压与基准源的压差可以控制TL431内部功率三极管的开度,从而影响输出电压。值得注意的的是,在选择TL431阴极电阻时,需要满足最小电流的要求(一般为1mA,部分型号可以做到100uA)。

如下图为TL431恒压电路的典型应用,可以看到VKA的表达式还与Iref有关,这要求R1的参数不宜取的过大,不过由于Iref的电流极小(uA级),因此R1带来的误差往往可以忽略。

恒压电路典型应用
ea4419b4-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png ea522838-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

将上述电路稍加改动,就可以得到很多实用的电路,如下图所示。

大电流稳压器 恒流源
ea5a351e-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png ea677724-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

3.2 比较电路

依靠内部的基准源和运放结构,TL431还可以用来进行电压的比较。下图为典型的比较电路。需要注意,TL431用作比较器功能时需要保证IKA电流,保证响应速度。

ea7d8c44-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

下图的应用将TL431用于电池电压的监控,只有当电池电压位于设定区间时,LED灯才会发光。

ea9bba02-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

3.3 开关电源控制

在隔离电源中,经常利用TL431实现隔离+误差放大+补偿的功能。反激电源的输出经过TL431反馈并将误差放大,驱动光耦内部的二极管,处于原边的光耦感光部分得到反馈电压,用于调整控制IC的输出占空比,从而得到一个稳定的输出电压。

下图为反激电源的仿真框图,红色、绿色波形分别为副边输出电压和反馈电压,电路依靠TL431实现闭环控制,调整输出占空比(紫色),最终使输出电压稳定。

eaac499e-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png
eabc452e-5b58-11ee-939d-92fbcf53809c.png

4. TL431 使用注意事项

4.1 电容稳定条件

我们将TL431用于恒压电路时,有时会在输出端(阴极)增加去耦电容以保证电压稳定性。其实TL431依靠自身内部结构已可以实现输出的稳定,在阴极和阳极(地)之间添加一个外部电容器将产生一个输出极点。该极点会降低相位裕度并可能导致振荡。

比如VKA=2.5V的场景,TI规格书给出的曲线要求电容小于10nF或2.2uF,才能保持稳定。不同设备对于电容的裕度不同,如TL431B的要求更高(减小到1nf才稳定)。图中波形为TL431负载电流波动时,输出电压振荡/稳定的情形。

如必须要增加输出电容,参数的选择可参考:https://www.ti.com/lit/an/slva482a/slva482a.pdf?ts=1631783717438

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4.2启动时间和响应时间

由于摆率和内部补偿电路的影响,TL431的输出会有us级别的延时。提高TL431的IKA电流,可以增大其响应速度,右图为TL431工作在比较器状态时不同IKA对于响应速度的影响,我们在使用时需要综合考虑功耗和响应速度。

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原文标题:5.

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