LM431, TL431的用法

TL431的幾種基本用法                                                      2013/12/21 update

        德州儀器公司（TI）生產的TL431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體，例如，數位電壓表，運放電路、可調壓電源，開關電源等等。

下圖是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽極（ANODE）和參考端（REF）。

TL431的具體功能可以用下圖的功能模組示意。

 

    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Vref（2.5V）時，電晶體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，通過電晶體的電流將從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，這個模組圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的。

1) TL431作為一個高性價比的常用分流式電壓基準，有很廣泛的用途。這裏簡單介紹一下TL431常見的和不常見的幾種接法。

圖(1)是TL431的典型接法，輸出一個固定電壓值，計算公式是： Vout = (R1+R2)*2.5/R2，同時R3的數值應該滿足1mA < (Vcc-Vout)/R3 < 500m A

當R1取值為0的時候，R2可以省略，這時候電路變成圖(2)的形式，TL431在這裏相當於一個2.5V穩壓管。

恒壓電路應用

      TL431的內部含有一個2.5V的基準電壓，所以當在REF端引入輸出回饋時，零件可以通過從陰極到陽極很寬範圍的分流，控制輸出電壓。如上圖所示，當R1和R2的阻值確定後，兩者對Vo的分壓引入回饋，若Vo增大，回饋量增大，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等於基準電壓處穩定，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範圍內的任意範圍電壓輸出，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於1mA。

當然，這個電路並不太實用，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。

          大電流的分流穩壓電路                                                 精密5V穩壓器
        由前面的例子我們可以看到，器件作為分流回饋後，REF端的電壓始終穩定在2.5V，那麼接在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。

2) 利用TL431還可以組成鑒幅器，如圖(3)，這個電路在輸入電壓 Vin < (R1+R2)*2.5/R2 的時候輸出Vout為高電平，反之輸出接近2V的電平。需要注意的是當Vin在(R1+R2)*2.5/R2附近以微小幅度波動的時候，電路會輸出不穩定的值。

TL431可以用來提升一個近地電壓，並且將其反相。如圖(4)，輸出計算公式為： Vout = ( (R1+R2)*2.5 - R1*Vin )/R2

特別的，當R1 = R2的時候，Vout = 5 - Vin。這個電路可以用來把一個接近地的電壓提升到一個可以預先設定的範圍內，唯一需要注意的是TL431的輸出範圍不是滿幅的。

3)TL431自身有相當高的增益（我在simulation中粗略測試，有大概46db），所以可以用作放大器。

圖(5)顯示了一個用TL431組成的直流電壓放大器，這個電路的放大倍數由R1和Rin決定，相當於運放的負反饋回路，而其靜態輸出電壓由R1和R2決定。

這個電路的優點在於，它結構簡單，精度也不錯，能夠提供穩定的靜態特性。缺點是輸入阻抗較小，Vout的擺幅有限。

圖(6)是交流放大器，這個結構和直流放大器很相似，而且具有同樣的優缺點。我正在嘗試用這個放大器代替次級運放來放大熱釋紅外感測器的輸出信號。

4)TL431的內部結構圖

說明一點，這個schdoc的TL431內部結構，並不能精確輸出2.5V，取而代之的是一個低於2.5V的電壓，但是這個電壓仍然具有相當高的穩定性。相信製造商有辦法通過調整某些電路參數使輸出達到2.5V。

 
5)細說恒流源

恒流源是電路中廣泛使用的一個元件，這裏我整理一下比較常見的恒流源的結構和特點。 

恒流源分為流出(Current Source)和流入(Current Sink)兩種形式。 

最簡單的恒流源，就是用一隻恒流二極體。實際上，恒流二極體的應用是比較少的，除了因為恒流二極體的恒流特性並不是非常好之外，電流規格比較少，價格比較貴也是重要原因。

最常用的簡易恒流源如 圖(1) 所示，用兩隻同型三極管，利用三極管相對穩定的be電壓作為基準，電流數值為：I = Vbe/R1。

這種恒流源優點是簡單易行，而且電流的數值可以自由控制，也沒有使用特殊的元件，有利於降低產品的成本。缺點是不同型號的管子，其be電壓不是一個固定值，即使是相同型號，也有一定的個體差異。同時不同的工作電流下，這個電壓也會有一定的波動。因此不適合精密的恒流需求。

為了能夠精確輸出電流，通常使用一個運放作為回饋，同時使用場效應管避免三極管的be電流導致的誤差。典型的運放恒流源如圖(2)所示，如果電流不需要特別精確，其中的場效應管也可以用三極管代替。

電流計算公式為：I = Vin/R1

這個電路可以認為是恒流源的標準電路，除了足夠的精度和可調性之外，使用的元件也都是很普遍的，易於搭建和調試。只不過其中的Vin還需要用戶額外提供。

從以上兩個電路可以看出，恒流源有個定式，就是利用一個電壓基準，在電阻上形成固定電流。有了這個定式，恒流源的搭建就可以擴展到所有可以提供這個“電壓基準”的器件上。 

最簡單的電壓基準，就是穩壓二極體，利用穩壓二極體和一隻三極管，可以搭建一個更簡易的恒流源。如圖(3)所示：

 電流計算公式為：I = (Vd-Vbe)/R1

TL431是另外一個常用的電壓基準，利用TL431搭建的恒流源如圖(4)所示，其中的三極管替換為場效應管可以得到更好的精度。TL431組成流出源的電路，暫時我還沒想到:)

電流計算公式為：I = 2.5/R1

         

        事實上，所有的三端穩壓，都是很不錯的電壓源，而且三端穩壓的精度已經很高，需要的維持電流也很小。利用三端穩壓構成恒流源，也有非常好的性價比，如圖(5)所示。

這種結構的恒流源，不適合太小的電流，因為這個時候，三端穩壓自身的維持電流會導致較大的誤差。

電流計算公式為：I = V/R1，其中V是三端穩壓的穩壓數值。

實際的電路中，有一些特殊的結構，也可以提供很好的恒流特性，最典型的就是一個很高的電壓通過一個電阻在一個低壓設備上形成電流，如圖(6)，這個恒流源的精度，取決於高壓的精確度和低壓設備本身導致的電壓波動。在一些開關電源電路中，這個結構用來給三極管提供偏置電流。 

電流計算公式為： I = Vin/R1

值得一提的是，以上這些恒流源並不都適合安培以上級別的恒流應用，因為電阻上面太大的電流會導致發熱嚴重。 

圖(2)可以通過使用更小的電阻來降低這個熱量，不過在單電源供電模式下，多數運放都不能有效檢測和輸出接近地或者Vcc的電壓，因此必須使用特殊的器件才能達到要求。有個簡單的辦法是通過一個穩壓器件（穩壓管，或者TL431等）偏置電阻上面的電壓，使得這個電壓進入運放的檢測範圍。

恒流源的實質是利用器件對電流進行回饋，動態調節設備的供電狀態，從而使得電流趨於恒定。只要能夠得到電流，就可以有效形成回饋，從而建立恒流源。

能夠進行電流回饋的器件，還有電流互感器，或者利用霍爾元件對電流回路上某些器件的磁場進行回饋，也可以利用回路上的發光器件（例如光電耦合器，發光管等）進行回饋。這些方式都能夠構成有效的恒流源，而且更適合大電流等特殊場合，不過因為這些實現形式的電路都比較複雜，這裏就不一一介紹了。

      值得注意的是，TL431的溫度係數為300ppm/℃，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡象恒流源或恒流二極體好的多，因而在應用中無需附加溫度補償電路。

感測器電橋提供恒定偏流的電路

           這是一個已連成橋路的感測器的前級處理電路。Vref/R2的值應設為電橋工作所必要的恒定電流，該電流值通常會由感測器製造商提供。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於橋路電流，但一定要注意大於1mA。

            由於TL431非常易於實現恒壓或恒流，而且有很好的溫度穩定性，因此很適合於儀錶電路、感測器電路等設計應用。在此方面的應用例子很多，設計原理並不複雜。

 可控分流特性的應用

       由前面介紹的功能模組圖，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，甚至可直接驅動音訊電流負載。如圖此應用一個簡單400mW單聲道功率放大電路。

                   Audio功率放大電路

TL431 Pspice  分析結果

其他應用LINK:  http://tw.myblog.yahoo.com/kuo-hao/article?mid=2112
datasheet : http://www.nxp.com/documents/data_sheet/TL431_FAM.pdf
http://www.dzjs.net/html/zonghejishu/2006/1219/1234.html

TL431典型應用電路

TL431精密可調基準電源有如下特點：穩壓值從2.5~36V連續可調;參考電壓原誤差+-1.0%，低動態輸出電阻,典型值為0.22歐姆輸出電流1.0~100毫安培;全溫度範圍內溫度特性平坦，典型值為50ppm;低輸出電壓雜訊。
典型應用電路如下：

1：精密基準電壓源(附圖1)該電路具有良好的溫度穩定性及較大的輸出電流。但在連接容性負載時，應特別注意CL的取值，以免自激。

這種接法提供2.5V基準電壓,簡單適用。

2： 可調穩壓電源（附圖2）Vo可在2.5~36V之間調節。V0=Vref(1+R1/R2)(Vref=2.5v),由於承受電壓與（Vi –Vo）有關，因此壓差很大時，R的功耗隨之增加。使用時注意。 

該接法可以提供一個可以調節的基準電壓。電壓輸出為2.5×（1＋R2/R1）。

3：過電壓保護電路（附圖3）當Vi超過一定電壓時，TL431觸發，使晶閘管導通，產生瞬間大電流，將保險絲熔斷，從而保護後極電路。V保護點=（1+R1/R2）Vref.

 
4：恒流源電路（附圖4----拉電流負載）（附圖5---灌電流負載）恒流值與Vref和外加電阻有關，功率電晶體選用時要考慮餘量。該恒流源如與穩壓線路配接，可做電流限制器用。
 
5：比較器（附圖6）它是巧妙的運用了Vref=2.5v這個臨界電壓。當Vi< span>當Vi>Vref時，Vo=2V由於TL431內阻小，因而輸入輸出波形跟蹤良好。
 
6：電壓監視器（附圖7）利用TL431的轉移特性，組成實用電壓監視器。當電壓處於上下限電壓之間，LED電量，上下限電壓分別為（1+R1/R2）Vref和（1+R3/R4）Vref。
 

7：TL431 和PC817配合使用
    開關電源的穩壓回饋通常都使用TL431 和PC817，如輸出電壓要求不高，也可以使用穩壓二極體和PC817，下面我來通過以下典型應用電路來說明TL431,PC817 的配合問題。電路圖如下：


8. 用TL431製作的可調穩壓電源

       精密電壓基準IC TL431是我們常見的精密電壓基準IC ，應用非常廣泛。其輸出壓連續可調達36V，工作電流範圍寬達0．1。100mA，動態電阻典型值為0．22歐,輸出雜波低。圖1是利用它作電壓基準和驅動外加場效應管K790作調整管構成的輸出電流大(約6A)、電路簡單、安全的穩壓電源。

工作原理：

   如圖所示，220v電壓經變壓器B降壓、D1-D4整流、C1濾波。此外D5、D6、C2、C3組成倍壓電路(使得Vdc＝60V)，Rw、R3組成分壓電路，T1431、R1組成取樣放大電路，9013、R2組成限流保護電路，場效應管K790作調整管(可直接並聯使用)以及C5是輸出濾波器電路等。穩壓過程是：當輸出電壓降低時，f點電位降低，經T1431內部放大使e點電壓增高，經K790調整後，b點電位升高；反之，當輸出電壓增高時，f點電位升高，e點電位降低，經K790調整後，b點電位降低。從而使輸出電壓穩定。當輸出電流大於6A時，三極管9013處於截止，使輸出電流被限制在6A以內，從而達到限流的目的。

本電路除電阻R1選用2W、R2選用5W外，其它元件無特殊要求。

9: Switching power 上的應用

         在過去的普通開關電源設計中，通常採用將輸出電壓經過誤差放大後直接回饋到輸入端的模式。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，當今世界的電源製造業大多已採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）回饋並將誤差放大，TL431的恒流端驅動一個光耦的發光部分，而處在電源高壓這邊的光耦感光部分得到的回饋電壓，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。
• 下圖是一個實用的4W開關型5V直流穩壓電源的電路。該電路採用了此種拓撲結構並同時使用了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用於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控制器晶片，它接受回饋並控制整個電路的工作。
• D3、C3是次級整流濾波電路，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。那麼當輸出電壓有變化趨勢時，Vref隨之增大導致流過TL431的電流增大，於是光耦發光增強，感光端得到的回饋電壓也就越大。U1在接受這個變化回饋電壓後將改變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。這裡要注意的是，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）輸入範圍內，輸出+5V，精度優於±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%。

http://www.pavouk.org/hw/en_atxps.html





10.關於TL431並聯電容器的方法

       穩壓二極體在電路中工作時，其自身會產生一種不規則的週期性雜訊，這種不規則的雜訊稱為齊納雜訊。儘管齊納雜訊的電平不高，但它卻是影響穩壓二極體輸出特性的重要原因之一。為了減小穩壓二極體的輸出雜訊，可用一隻電容器與穩壓二極體並聯使用，這樣，並聯的電容就可以吸收穩壓二要管的齊納雜訊，以改善穩壓二極體的輸出特性。另外，並聯在穩壓二極體上的電容還可以吸收電源的紋波，使得穩壓二極體的輸出電壓更加平穩。其次，當穩壓二極體與電容並聯使用時，由於電容的充電作用，會使穩壓二極體輸出電壓的建立時間增加，使輸出電壓緩慢地上升，不過，這僅是接通電源瞬間的情況。正常工作時，穩壓二極體的輸出電壓是完全穩定的。


       用這種方法的好處是：在接通電源的瞬間，穩壓二極體的輸出電壓不會出現過沖現象，同時也起到了一定的開機延時作用，改善了過渡特性。既然穩壓二極體和電容並聯有這麼多的好處，而TL431的使用和穩壓二極體的使用又十分相似，所以TL431是可以與電容並聯使用的，且TL431與電容並聯使用時同樣有許多好處。但是，當TL431與電容並聯，其選用的容量值不適合時，有時不但起不到好的作用，反而會產生振盪現象，這是因為流過TL431的電流和電容的容量有一定的關係。實驗表明，如果用容量為０．０１～３μＦ的電容器並聯在TL431上，很有可能使TL431產生振盪，因此，當TL431與電容並聯使用時，應使TL431並聯的電容器值大於３μＦ或小於０.０１μＦ，對此必須引起注意。

11.三端並聯穩壓器TL431應用技巧

          眾多半導體公司均推出了三端並聯穩壓器 (three-terminal shunt regulator)。此類器件帶有內部基準精確度、運算放大器及內部並聯電晶體，以精確控制供電電壓。圖1給出了典型的電路應用。三端並聯穩壓器是廉價的半導體器件，除了並聯穩壓器以外，其還具備其他有用的電源設計應用。這種半導體器件可用作廉價的運算放大器，用於控制回路回饋。該器件還可同電晶體及無源元件協同使用，又可用於快速自舉電路。此外，這種器件經過配置，還可作為低功耗輔助電源工作，在輕負載操作條件下為脈寬調製器(PWM)控制器供電。儘管上述電路在並聯穩壓器的產品說明書上沒有說明，但卻是非常有用的應用。


　　運算放大器：
  --------(1)

注釋：方程式(1)建立在Rbias<<Rz的基礎上。


　　在設計包含PWM而不含電壓放大器的電源設計時，系統設計人員可採用並聯穩壓器作為廉價的運算放大器。圖2給出了這種應用的功能結構圖。方程式1解釋了這種補償網路的小信號傳輸函數的數學原理。

　　我們可向電路添加光耦合器，以實現一定程度的電隔離(galvanic isolation)。圖3給出了隔離的回饋電路的示意圖。電阻器R1用於向光耦合器及TL431施加偏壓。電阻器R3和二極體D1提供一個固定的偏置，以保證偏壓電阻R1不會形成回饋路徑。電阻器R1和R2用於控制整個光耦合器上的增益。在大多數設計中，R2與R1之比大致設置為十比一。光耦合器帶有高極點頻率(fp)。光耦合器的產品說明書一般不提供有關極點頻率的資訊。通過採用網路分析儀，我們會發現許多應用中的極點約為10kHz。

　　自舉電路：

　　在開關電源設計中，脈寬調製器IC通常由輔助繞組供電，有關情況可參見圖4。啟動這種電路需要連續補充充電電阻(Rt)和吸持電容(Ch)。為了盡可能降低功耗，我們要讓補充充電電阻盡可能大。吸持電容也應較大，因為它在電源開始開關之前都會向PWM提供能量。

        我們可用一支雙極管和一些電阻器來配置並聯穩壓器，以加速自舉時間。如欲瞭解詳情，請參見圖5。通過Rd的電氣元件C、D1、Q1以及Ra構成自舉電路。在上電時，電容器C將完全放電，而PWM電源輸入處的電壓(Vaux)將由串聯旁路穩壓器(series-pass regulator)決定，旁路穩壓器則通過Q1及D1控制。啟動狀態下的Vaux電壓是其峰值電壓(Vaux_peak)，其值由電阻器Ra和Rb之比決定。電容器C和電阻器Rcz則用於決定計時情況以及自舉電路的關閉電壓，從而節約能量。電阻器Rd為TL431提供偏流，而電阻器Re則限制電流，以保證電晶體Q1處於安全的工作區域(SOA)。
 

　　設置電路並不太困難。我們選擇電阻器Ra和Rb來設置峰值充電電壓(Vaux_peak)
 

　　選擇電阻器Rc來降低並聯電壓，使之低於額定的Vaux電壓(Vaux_nominal)，該額定Vaux電壓由輔助繞組提供

　　電容器C設置自舉時間(Tboot)
 

　　低功耗PWM偏置電源：

　　在某些電源中，PWM由類似圖4所示電路的輔助繞組供電。這種電路的問題在於，在輕負載工作情況下，輔助繞組中存儲的能量不足以給IC供電。電源的工作情況甚至會變得難以估計，因為PWM將不斷開關。圖6所示的電路給出了解決這種問題的辦法，即採用串聯旁路穩壓器，在輕負載條件下啟動，而在偏置繞組可以為PWM控制器供電情況下關閉。
 

　　通過電阻器Rd的Ra以及二極體D1、D2，再加上電晶體Q1，它們構成了低功耗偏置電源。低功耗偏置電源根據設置可調節電壓，使其高於PWM 的關閉電壓，又低於輔助繞組的額定電壓(Vaux_nominal)。這就使電晶體Q1能作為二極體或電路發揮作用。如果PWM由輔助繞組供電，那麼 Vaux電壓將反向偏置，關閉電晶體Q1而節約能量。如果由於能量不足Vaux電壓下降，那麼Q1就會變成正向偏置，以向PWM控制器提供必需的能量。

　　設置低通串聯旁路穩壓器並不困難。電阻器Rc的大小應剛好可以向D1提供偏流，電阻器Rd的大小應剛好可以保證電晶體Q1不超出其SOA的範圍，而電阻器Ra和Rb的大小則應能夠調節低功耗串聯旁路穩壓器的電壓。這種低功耗串聯旁路穩壓器提供的電壓應設置為高於控制IC的啟動電壓，並低於輔助繞組提供的額定電壓（Vaux_nominal)。

　　以下方程式用於調節由Ra和Rb構成的電阻分壓器。Q1發射極處設置的電壓應低於變壓器T1二級繞組提供的額定輔助電壓(Vaux_nominal)。Vref是並聯穩壓器D1的內部參考電壓。Vd2和Vbeq1分別是二極體d2和Q1基射極電壓的壓降。

　　總結：
　　類似TL431的三端並聯穩壓器在許多應用中都大有用處。這種三端子器件既廉價，功能又很多樣化。這種穩壓器經過配置，可在開關電源中實現多種功能。這種器件可用作基準精確度，也可作為廉價的運算放大器以進行回饋控制。這種穩壓器還可用於電源的快速自舉，這與傳統的方法不同。並聯穩壓器與NPN 電晶體配合使用，還能實現低功耗偏置電源，在輕負載條件下啟動，而在輔助繞組能夠為PWM提供足夠電力的時候關閉。