TL431特性与应用

德州仪器公司（TI）生产的TL431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，开关电源等等。
  
  下图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
  
  TL431的具体功能可以用下图的功能模块示意。
  
  
  
   图1：TL431的器件符号和功能示意图
  
   
  
  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组的，本文的一些分析也将基于此模块展开。
  
  1、 恒压电路应用
  
  
  
   图2：恒压电路
  
  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。如上图所示，当R1和R2的阻值确定后，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo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范围内的任意范围电压输出，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1mA。
  
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5：精密5V稳压器
  
利用这个特点，可以将TL431应用很多恒流电路中。
  
  
  
   图5：精密恒流源
  
  如图5是一个实用的精密恒流源电路。原理很简单，不在聱述。但值得注意的是，TL431的温度系数为ppm/℃，所以输出恒流的温度特性要比普通镜象恒流源或恒流二极管好的多，因而在应用中无需附加温度补偿电路。
  
  下面就介绍一个用该器件为传感器电桥提供恒定偏流的电路，如图6
  
  
  
   图6：恒定偏流电路
  
  这是一个已连成桥路的传感器的前级处理电路。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阴极的电流由R1和电源电压Vs决定，在应用中通常让它等于桥路电流，但一定要注意大于1mA。
  
  由于TL431非常易于实现恒压或恒流，而且有很好的温度稳定性，因此很适合于仪表电路、传感器电路等设计应用。在此方面的应用例子很多，设计原理并不复杂，本文不再一一介绍。
  
  2、 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：音频功率放大电路
  
  3、 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的恒流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压这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。下图是一个实用的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是次级整流滤波电路，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化趋势时，Vref随之增大导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光增强，感光端得到的反馈电压也就越大。U1在接受这个变化反馈电压后将改变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。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%。