TL431三端可調分流基準源的性能及電路應用分析

1.TL431的簡介

德州儀器公司（TI）生產的TL431是一是一個有良好的熱穩定性能的三端可調分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5V）到36V范圍內的任何值（如圖2）。該器件的典型動態阻抗為0.2Ω，在很多應用中可以用它代替齊納二極管，例如，數字電壓表，運放電路、可調壓電源，開關電源等等。

左圖是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。TL431的具體功能可以用如圖1的功能模塊示意。

由圖可以看到，VI是一個內部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當REF端（同相端）的電壓非常接近VI（2.5V）時，三極管中才會有一個穩定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管 圖1 的電流將從1到100mA變化。當然，該圖絕不是TL431的實際內部結構，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設計、分析應用TL431的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的，本文的一些分析也將基于此模塊而展開。

2. 恒壓電路應用

前面提到TL431的內部含有一個2.5V的基準電壓，所以當在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖2所示的電路，當R1和R2的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導致Vo下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在VI等于基準電壓處穩定，此時Vo=（1+ R1/R2）Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內的任意電壓輸出，特別地，當R1=R2時，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。

當然，這個電路并不太實用，但它很清晰地展示了該器件的工作原理在應用中的方法。將這個電路稍加改動，就可以得到在很多實用的電源電路，如圖3，4。

圖3：大電流的分流穩壓電路

圖4：精密5V穩壓器

3. 恒流電路應用

由前面的例子我們可以看到，器件作為分流反饋后，REF端的電壓始終穩定在2.5V，那么接在REF端和地間的電阻中流過的電流就應是恒定的。利用這個特點，可以將TL431應用很多恒流電路中。

如左圖5是一個實用的精密恒流源電路。原理很簡單，不再贅述。但值得注意的是，TL431的溫度系數為30ppm/℃，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多，因而在應用中無需附加溫度補償電路。

圖5下面就介紹一個用該器件為傳感器電橋提供恒定偏流的電路，如圖6。

這是一個已連成橋路的硅壓傳感器的前級處理電路。Vref/R2的值應設為電橋工作所必要的恒定電流，該電流值通常會由傳感器制造商提供。流經TL431陰極的電流由R1和電源電壓Vs決定，在應用中通常讓它等于橋路電流，但一定要注意大于1mA。

由于TL431非常易于實現恒壓或恒流，而且有很好的溫度穩定性，因此很適合于儀表電路、傳感器電路等設計應用。在此方面的應用例子很多，設計原理并不復雜，本文不再一一介紹。

4. 可控分流特性的應用

由第1節介紹的功能模塊圖，當REF端的電壓有微小變化時，從陰極到陽極的分流將隨之在1～100mA內變化。利用這種可控分流的特性，可以用小的電壓變化控制繼電器、指示燈等，甚至可直接驅動音頻電流負載。如圖7是此應用的一個簡單400mW單聲道功率放大電路。

圖7

5. 在開關電源上的應用

在過去的普通開關電源設計中，通常采用將輸出電壓經過誤差放大后直接反饋到輸入端的模式。這種電壓控制的模式在某些應用中也能較好地發揮作用，但隨著技術的發展，當今世界的電源制造業大多已采用一種有類似拓撲結構的方案。此類結構的開關電源有以下特點：輸出經過TL431（可控分流基準）反饋并將誤差放大，TL431的沉流端驅動一個光耦的發光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調整一個電流模式的PWM控制器的開關時間，從而得到一個穩定的直流電壓輸出。

圖8：4W開關型5V直流穩壓電源

上圖是一個實用的4W開關型5V直流穩壓電源的電路。該電路采用了此種拓撲結構并同時使用了TOPSwitch技術。圖中 C1、L1、C8和C9構成EMI濾波器，BR1和C2對輸入交流電壓整流濾波，D1和D2用于消除因變壓器漏感引起的尖峰電壓，U1是一個內置 MOSFET的電流模式PWM控制器芯片，它接受反饋并控制整個電路的工作。D3、C3是次極整流濾波電路，L2和C4組成低通濾波以降低輸出紋波電壓。 R2和R3是輸出取樣電阻，兩者對輸出的分壓通過TL431的REF端來控制該器件從陰極到陽極的分流。這個電流又是直接驅動光耦U2的發光部分的。那么當輸出電壓有變大趨勢時，Vref隨之增大導致流過TL431的電流增大，于是光耦發光加強，感光端得到的反饋電壓也就越大。U1在接受這個變大反饋電壓后將改變MOSFET的開關時間，輸出電壓隨改變而回落。

事實上，上面講述的過程在極短的時間內就會達到平衡，平衡時Vref=2.5V，又有R2= R3，所以輸出為穩定的5V。這里要注意的是，不再能通過簡單地改變取樣電阻R2、R3的值來改變輸出電壓，因為在開關電源中每個元件的參數對整個電路工作狀態的影響都會很大。按圖中所示參數時，電路可在90VAC～264VAC（50/60Hz）輸入范圍內，輸出+5V，精度優于±3%，輸出功率為 4W，最大輸出電流可達0.8A，典型變換效率為70%。