TL431應用與switching power supply詳解

1)用TL431製作的可調穩壓電源-----基本電路

    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。

圖1
工作原理：

如圖3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，其他元件無特殊要求，其元件參數如圖所示。

2)AC 轉 DC switching power supply 電路詳解
一：AC_220V輸入部分

      AC_220V由CON1/CON2或J1進入後，經過R100（降低C100初始充電電流衝擊和保險絲的作用）送至由D103/D104/D105/D106組成的橋式整流把220V交流變換為+300V左右的直流電壓，最後由C100（400V/4.7uF）濾波。

整流濾波原理圖：


二：自激變換部分：
    1：啟動過程

   +300V直流供電（實際值和輸入的交流電壓有關係，這裏只是命名）由R106通過Q100的b-e到地形成Q100的Ib（約0.35mA），由Ib引起Q100的Ic電流由0逐漸線性增大到1.2mA左右（選用的MJE13003的HFE約30-40倍左右）。

2:自激振盪過程：

由於開關管的導通，使+300V直流電壓幾乎全部載入到初級繞組上，形成上正下負的正激電壓（此時初級線圈中的電流線性上升對變壓器“充電”）。而初級繞組的正激電壓感應到回饋和次級（輸出）繞組上的電壓極性如下圖所示：





由於次級輸出有開關二極體D102存在，變壓器正激狀態時是不對負載供電的。

下圖：變壓器回饋繞組感應到上負下正的正激電壓，這個正激電壓通過C103 R107流向Q100的基極和啟動電阻R106形成的啟動電流相疊加，直接使Q100導通。



3:截止：
下圖是該電源工作時的波形截圖，開關管完全導通後，由於電感電流的“滯後”（初級繞組的電流從0開始線性增大），當電感的正激電流上升到電路設計限制值70mA後，在R101上形成0.7V的壓降促使Q101導通，Q101導通使Q100電流不能進一步增長，限制在70mA。因為電感電流不能增長，根據愣次定律，回饋電壓為0，導致通過Q100的電流迅速降低，而主電感電流根據愣次定律需要繼續保持，於是在主線圈產生了相反的電動勢，同時通過回饋部分，產生一個截止的電壓給Q100，於是Q100進入截止逆轉狀態。





    下圖是R101兩端的波形，紅線指示的區間就是變壓器初級繞組正激狀態時，電流線性增大的過程。



由於Q100被Q101限制電流，變壓器初級繞組（電感）為了保持原有的電流方向不變，在初級繞組兩端產生上負下正的自感電動勢（反激電壓）




上圖是本電路在載入500mA負載電流時的變壓器初級線圈兩端的波形圖，截圖狀態時電路直流供電為255V左右，在上圖中正激電壓約為240V，其中15V的壓差是以損耗的形式被開關三極管Vce分壓分掉了。

0V基準線以下部分為反激電壓。

4：能量輸出：

下圖：Q100截止後，在次級繞組上建立下圖圖示的上正下負的反激電壓，這個極性可以使肖特基二極體D102導通而向負載供電。


      下圖是變壓器次級輸出繞組的工作波形，在變壓器初級繞組正激狀態時（向變壓器“充電”），次級繞組感應到較高的反激感應電壓，這個電壓是要反偏給開關二極體D102的，開關二極體的反向耐壓就是根據這個電壓來取值的。

變壓器初級繞組出於反激狀態時，變壓器是向負載提供能量的，波形圖中可以看到，這個反激電壓大概有6.2V，而這個電源實際輸出的電壓只有5V，而其中的壓差大部分是被開關二極體消耗掉了，本電源一大損耗就是這裏造成的，為了改善開關二極體造成的損耗，可以選用壓降較小的開關二極體或改造電路使之使用同步整流的技術（同步整流部分不在本章討論之列）。


5：重複振盪：

當變壓器中的能量被負載消耗完畢，回饋繞組感應的反激電壓接近0V時，對R106提供的啟動電流沒有限制時，Q100的基極電流再次恢復到初始加電時的啟動狀態，電路再一次進入到自激振盪的迴圈當中。就這樣周而復始的向負載間歇提供能量。

綜上所述：

回饋繞組在這種電路結構中起到以下幾種作用（作用和設計需求有關）

1：加速開關三極管的導通（減少三極管線性導通狀態的時間）
2：加速開關三極管的截止（減少三極管線性導通狀態的時間）
3：提供輔助供電
4：感應負載“輕重”（本文涉及的電路沒有使用這個功能）

初級繞組在電路中的主要作用：
1：向變壓器注入能量
2：產生的反激電壓和直流供電串聯對開關三極管造成較大的擊穿風險

三：輸出負反饋控制流程：
1：副邊控制流程：

       當負載電流變化或其他因素變化引起輸出電壓VO變高，TL431控制端電壓會高於2.5V，這時TL431就會在一定程度上導通引起光電耦合器PC817內發光二極體更亮，R111/R112組成1/2VO取樣電路，C108主要是為了改善輸出紋波的作用，R110為PC817內發光二極體的負載電阻，R105為了降低輸出回路的內阻而設（提高輸出瞬態回應）。

2：原邊控制流程：


      當負載變化或其他因素變動引起輸出電壓升高時，光電耦合器內的發光二極體發光更亮，PC817內的光敏三極管受到發光二極體照射而導通增強，電容C104上積存的有回饋繞組正激時產生的電能，當光耦C-E導通增強後，C104上積存的電能通過光耦C-E、R109使Q101導通，Q101導通後使Q100限流更低，變壓器被注入的能力減少後就造成變壓器輸出電壓降低，同樣的道理，當輸出電壓偏低時，變壓器能量是靠原邊電路自激以最大能力注入的（最大能力受限於Q101最大電流控制和輸入電壓的高低），所以調試時出現低壓供電時輸出能力不足就和原邊最大功率注入偏低有關係。

四：反向脈衝保護：

反向脈衝保護由C101/R104/D100組成，變壓器充電完成（Q100截止後），Q100集電極要承受的電壓為供電電壓加上變壓器初級繞組產生的反激電壓，MJE13003的Vce最大能承受400V左右的電壓，當變壓器由於漏感等因素造成反激電壓過大（大於150V時），Q100就有可能被擊穿，所以增加一個反向脈衝保護電路對反激電壓出現的極短時間的脈衝尖峰進行濾除，如果Q100採用Vce耐壓更高的三極管，這個保護電路是可以取消的。

五：輸出紋波：

造成輸出紋波有以下幾種因素：

1：反激式變換器固有的轉換方式造成的紋波

因為反激式變換器都是前半個週期正激充電（不輸出能量），而後半個週期向外輸出能量的方式供電的，這種方式造成一半左右的時間沒有對負載供電，只能靠大容量濾波電容續流，如果電容容量不足夠大和內阻偏大時，會造成較大的紋波。

這方面可以通過加大濾波電容容量來改善。

2:電壓負反饋回路造成的紋波。

當電壓檢測、回饋速度不足夠“平滑”時（調整的週期過快或負反饋回路自激振盪），由這部分電路也會造成紋波干擾。這部分紋波可以通過調整電壓負反饋回路的時間常數和幅頻增益來改善。

3：原邊供電品質造成的紋波。

前級供電是由交流整流變換來的直流，由於供電濾波效果不好也會疊加到輸出端。

這種情況可以採用加大濾波電容容量或多級濾波來改善前級供電。

下圖是電源500mA負載時測試到的紋波值（採用470uF電解電容濾波）：