1. TL431簡介

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TL431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，但會受到外部電阻的精度影響，相對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(nèi)部細(xì)節(jié)圖，Vref是一個內(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，三極管中才會有一個穩(wěn)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(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(shù)（計作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)格書所標(biāo)注的內(nèi)部電路參數(shù)，可以計算反推得到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)式對應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)

Vref反算過程

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。依靠內(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(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(yīng)用

將上述電路稍加改動，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

依靠內(nèi)部的基準(zhǔn)源和運(yùn)放結(jié)構(gòu)，TL431還可以用來進(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，LED燈才會發(fā)光。

3.3 開關(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?。反激電源的輸出?jīng)過TL431反饋并將誤差放大，驅(qū)動光耦內(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

4.1 電容穩(wěn)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(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，在陰極和陽極（地）之間添加一個外部電容器將產(chǎn)生一個輸出極點(diǎn)。該極點(diǎn)會降低相位裕度并可能導(dǎo)致振蕩。

比如VKA=2.5V的場景，TI規(guī)格書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TL431負(fù)載電流波動時，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啟動時間和響應(yīng)時間

由于擺率和內(nèi)部補(bǔ)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(yīng)速度，右圖為TL431工作在比較器狀態(tài)時不同IKA對于響應(yīng)速度的影響，我們在使用時需要綜合考慮功耗和響應(yīng)速度。

審核編輯：湯梓紅