TL431的應用電路及注意事項

1. TL431簡介

TL431是常用的三端并聯穩壓器，具有較好的熱穩定性，輸出電壓可以設置為Vref~36V之間的任何值。被廣泛用作基準源、比較器、運放等功能。在隔離電源中，TL431經常與光耦配合構成隔離反饋回路；在采樣或保護電路中，TL431經常作為ADC、比較器的基準源。

下表為TL431的基礎參數：

與許多電壓基準源不同，TL431可以自由調節基準電壓值，但會受到外部電阻的精度影響，相對于專用的高精度基準源，TL431的精度偏低，溫度穩定性也較差。許多LDO也能達到0.5%的精度，但容易受負載影響，下圖是TL431與其他電壓源的簡單比較。

TL431的三個外部引腳分別為陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。

下圖為TL431的等效框圖和內部細節圖，Vref是一個內部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。當REF端（同相端）的電壓非常接近Vref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，通過內部功率三極管的電流將發生變化。

等效框圖	細節圖

2. TL431內部基準源

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

如下圖所示，常規雙極型晶體管的基極-發射極電壓或PN節二極管具有負溫度系數（計作VBE），而如果兩個雙極型晶體管工作在不相等的電流密度下，那么他們的VBE之差就會與熱電壓VT成正比，具有正溫度系數（計作ΔVBE）。將VBE和ΔVBE線性疊加，最終輸出的Vref電壓將實現接近理想的零溫度系數。

正、負溫度系數疊加示意圖

下圖為VBE和ΔVBE關于正負溫度系數的推導圖，根據兩者的表達式，分別對溫度求導，可以分別得到負、正溫度系數值。（注：圖中VBE的求導表達式結果與實際不一致，但其溫度表現確為負系數）

VBE負溫度系數
ΔVBE正溫度系數

根據TI規格書所標注的內部電路參數，可以計算反推得到Vref相關的alpha1、alpha2系數。其中正、負溫度系數所對應的電路結構如下圖所示，最后可以得到。

表達式對應的電路結構

Vref反算過程

3. TL431典型應用

3.1 恒壓電路

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

如下圖為TL431恒壓電路的典型應用，可以看到VKA的表達式還與Iref有關，這要求R1的參數不宜取的過大，不過由于Iref的電流極?。╱A級），因此R1帶來的誤差往往可以忽略。

恒壓電路典型應用

將上述電路稍加改動，就可以得到很多實用的電路，如下圖所示。

大電流穩壓器	恒流源

3.2 比較電路

依靠內部的基準源和運放結構，TL431還可以用來進行電壓的比較。下圖為典型的比較電路。需要注意，TL431用作比較器功能時需要保證IKA電流，保證響應速度。

下圖的應用將TL431用于電池電壓的監控，只有當電池電壓位于設定區間時，LED燈才會發光。

3.3 開關電源控制

在隔離電源中，經常利用TL431實現隔離+誤差放大+補償的功能。反激電源的輸出經過TL431反饋并將誤差放大，驅動光耦內部的二極管，處于原邊的光耦感光部分得到反饋電壓，用于調整控制IC的輸出占空比，從而得到一個穩定的輸出電壓。

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實現閉環控制，調整輸出占空比（紫色），最終使輸出電壓穩定。

4. TL431 使用注意事項

4.1 電容穩定條件

我們將TL431用于恒壓電路時，有時會在輸出端（陰極）增加去耦電容以保證電壓穩定性。其實TL431依靠自身內部結構已可以實現輸出的穩定，在陰極和陽極（地）之間添加一個外部電容器將產生一個輸出極點。該極點會降低相位裕度并可能導致振蕩。

比如VKA=2.5V的場景，TI規格書給出的曲線要求電容小于10nF或2.2uF，才能保持穩定。不同設備對于電容的裕度不同，如TL431B的要求更高（減小到1nf才穩定）。圖中波形為TL431負載電流波動時，輸出電壓振蕩/穩定的情形。

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

4.2啟動時間和響應時間

由于擺率和內部補償電路的影響，TL431的輸出會有us級別的延時。提高TL431的IKA電流，可以增大其響應速度，右圖為TL431工作在比較器狀態時不同IKA對于響應速度的影響，我們在使用時需要綜合考慮功耗和響應速度。

審核編輯：湯梓紅