1. TL431簡(jiǎn)介

TL431是常用的三端并聯(lián)穩(wěn)壓器，具有較好的熱穩(wěn)定性，輸出電壓可以設(shè)置為Vref~36V之間的任何值。被廣泛用作基準(zhǔn)源、比較器、運(yùn)放等功能。在隔離電源中，TL431經(jīng)常與光耦配合構(gòu)成隔離反饋回路；在采樣或保護(hù)電路中，TL431經(jīng)常作為ADC、比較器的基準(zhǔn)源。

下表為T(mén)L431的基礎(chǔ)參數(shù)：

與許多電壓基準(zhǔn)源不同，TL431可以自由調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓值，但會(huì)受到外部電阻的精度影響，相對(duì)于專用的高精度基準(zhǔn)源，TL431的精度偏低，溫度穩(wěn)定性也較差。許多LDO也能達(dá)到0.5%的精度，但容易受負(fù)載影響，下圖是TL431與其他電壓源的簡(jiǎn)單比較。

TL431的三個(gè)外部引腳分別為陰極（CATHODE）、陽(yáng)極（ANODE）和參考端（REF）。

下圖為T(mén)L431的等效框圖和內(nèi)部細(xì)節(jié)圖，Vref是一個(gè)內(nèi)部的2.5V基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。當(dāng)REF端（同相端）的電壓非常接近Vref時(shí)，三極管中才會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過(guò)，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過(guò)內(nèi)部功率三極管的電流將發(fā)生變化。

等效框圖	細(xì)節(jié)圖

2. TL431內(nèi)部基準(zhǔn)源

TL431常溫電壓精度可以達(dá)到0.5%（B Grade），具有較高的溫度穩(wěn)定性。如此溫度特性得益于其內(nèi)部的帶隙基準(zhǔn)電路，其基本原理是將兩個(gè)相反溫度系數(shù)的電壓以一定權(quán)重相加，使輸出的基準(zhǔn)電壓具有接近理想的零溫度系數(shù)表現(xiàn)。

如下圖所示，常規(guī)雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓或PN節(jié)二極管具有負(fù)溫度系數(shù)（計(jì)作VBE），而如果兩個(gè)雙極型晶體管工作在不相等的電流密度下，那么他們的VBE之差就會(huì)與熱電壓VT成正比，具有正溫度系數(shù)（計(jì)作ΔVBE）。將VBE和ΔVBE線性疊加，最終輸出的Vref電壓將實(shí)現(xiàn)接近理想的零溫度系數(shù)。

正、負(fù)溫度系數(shù)疊加示意圖

下圖為VBE和ΔVBE關(guān)于正負(fù)溫度系數(shù)的推導(dǎo)圖，根據(jù)兩者的表達(dá)式，分別對(duì)溫度求導(dǎo)，可以分別得到負(fù)、正溫度系數(shù)值。（注：圖中VBE的求導(dǎo)表達(dá)式結(jié)果與實(shí)際不一致，但其溫度表現(xiàn)確為負(fù)系數(shù)）

VBE負(fù)溫度系數(shù)
ΔVBE正溫度系數(shù)

根據(jù)TI規(guī)格書(shū)所標(biāo)注的內(nèi)部電路參數(shù)，可以計(jì)算反推得到Vref相關(guān)的alpha1、alpha2系數(shù)。其中正、負(fù)溫度系數(shù)所對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)如下圖所示，最后可以得到。

表達(dá)式對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)

Vref反算過(guò)程

3. TL431典型應(yīng)用

3.1 恒壓電路

TL431的最典型電路為恒壓電路。依靠?jī)?nèi)部基準(zhǔn)源和運(yùn)放結(jié)構(gòu)，我們可以將TL431陰極輸出端連接至VREF端使電路工作在閉環(huán)狀態(tài)，Vref端電壓與基準(zhǔn)源的壓差可以控制TL431內(nèi)部功率三極管的開(kāi)度，從而影響輸出電壓。值得注意的的是，在選擇TL431陰極電阻時(shí)，需要滿足最小電流的要求（一般為1mA，部分型號(hào)可以做到100uA）。

如下圖為T(mén)L431恒壓電路的典型應(yīng)用，可以看到VKA的表達(dá)式還與Iref有關(guān)，這要求R1的參數(shù)不宜取的過(guò)大，不過(guò)由于Iref的電流極?。╱A級(jí)），因此R1帶來(lái)的誤差往往可以忽略。

恒壓電路典型應(yīng)用

將上述電路稍加改動(dòng)，就可以得到很多實(shí)用的電路，如下圖所示。

大電流穩(wěn)壓器	恒流源

3.2 比較電路

依靠?jī)?nèi)部的基準(zhǔn)源和運(yùn)放結(jié)構(gòu)，TL431還可以用來(lái)進(jìn)行電壓的比較。下圖為典型的比較電路。需要注意，TL431用作比較器功能時(shí)需要保證IKA電流，保證響應(yīng)速度。

下圖的應(yīng)用將TL431用于電池電壓的監(jiān)控，只有當(dāng)電池電壓位于設(shè)定區(qū)間時(shí)，LED燈才會(huì)發(fā)光。

3.3 開(kāi)關(guān)電源控制

在隔離電源中，經(jīng)常利用TL431實(shí)現(xiàn)隔離+誤差放大+補(bǔ)償?shù)墓δ堋７醇る娫吹妮敵鼋?jīng)過(guò)TL431反饋并將誤差放大，驅(qū)動(dòng)光耦內(nèi)部的二極管，處于原邊的光耦感光部分得到反饋電壓，用于調(diào)整控制IC的輸出占空比，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。

下圖為反激電源的仿真框圖，紅色、綠色波形分別為副邊輸出電壓和反饋電壓，電路依靠TL431實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，調(diào)整輸出占空比（紫色），最終使輸出電壓穩(wěn)定。

4. TL431 使用注意事項(xiàng)

4.1 電容穩(wěn)定條件

我們將TL431用于恒壓電路時(shí)，有時(shí)會(huì)在輸出端（陰極）增加去耦電容以保證電壓穩(wěn)定性。其實(shí)TL431依靠自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)已可以實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)定，在陰極和陽(yáng)極（地）之間添加一個(gè)外部電容器將產(chǎn)生一個(gè)輸出極點(diǎn)。該極點(diǎn)會(huì)降低相位裕度并可能導(dǎo)致振蕩。

比如VKA=2.5V的場(chǎng)景，TI規(guī)格書(shū)給出的曲線要求電容小于10nF或2.2uF，才能保持穩(wěn)定。不同設(shè)備對(duì)于電容的裕度不同，如TL431B的要求更高（減小到1nf才穩(wěn)定）。圖中波形為T(mén)L431負(fù)載電流波動(dòng)時(shí)，輸出電壓振蕩/穩(wěn)定的情形。

如必須要增加輸出電容，參數(shù)的選擇可參考：https://www.ti.com/lit/an/slva482a/slva482a.pdf?ts=1631783717438

4.2啟動(dòng)時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間

由于擺率和內(nèi)部補(bǔ)償電路的影響，TL431的輸出會(huì)有us級(jí)別的延時(shí)。提高TL431的IKA電流，可以增大其響應(yīng)速度，右圖為T(mén)L431工作在比較器狀態(tài)時(shí)不同IKA對(duì)于響應(yīng)速度的影響，我們?cè)谑褂脮r(shí)需要綜合考慮功耗和響應(yīng)速度。

審核編輯：湯梓紅