基于TL431的線性精密穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案

1.引言

TL431是一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成芯片，具有體積小、價(jià)格低廉、性能優(yōu)良等特點(diǎn)：它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從參考電壓（2.5V）到36V范圍內(nèi)的任何值，典型動(dòng)態(tài)阻抗僅為0.2Ω，電壓參考誤差為±0.4%，負(fù)載電流能力從1.0mA到100mA，溫度漂移低，輸出噪聲電壓低等?；谝陨咸攸c(diǎn)，不僅可以用于恒流源電路、電壓比較器電路、電壓監(jiān)視器電路、過(guò)壓保護(hù)電路等電路中、還廣泛應(yīng)用于線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源等直流穩(wěn)壓電源電路中，本文對(duì)TL431在線性穩(wěn)壓電源中的并聯(lián)和串聯(lián)型兩種電源進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

2.TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能

2.1 TL431的符號(hào)

該器件的符號(hào)如圖1，三個(gè)引腳分別為：陰極（CATHODE）、陽(yáng)極（ANODE）和參考端（REF），參考電壓為2.5V.

2.2 TL431的內(nèi)部電路圖

由內(nèi)部電路圖圖2可以看出，它由多極放大電路、偏置電路、補(bǔ)償和保護(hù)電路組成，其中晶體管V1構(gòu)成輸入極，V3、V4、V5構(gòu)成穩(wěn)壓基準(zhǔn)，V7和V8組成的鏡像恒流源與V6、V9構(gòu)成差分放大器作中間級(jí)，V10、V11形成復(fù)合管，構(gòu)成輸出，其它一些電阻、電容、二級(jí)管分別起偏置、補(bǔ)償和保護(hù)作用，在原理上它是一個(gè)單端輸入、單端輸出直流放大器。

然而其等效功能示意圖如圖3所示，由一個(gè)2.5V的精密基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)電壓比較器和一輸出開關(guān)管等組成，參考端的輸出電壓與精密基準(zhǔn)電壓源Vref相比較，當(dāng)參考端電壓超過(guò)2.5V時(shí)，TL431立即導(dǎo)通。因?yàn)镽端控制電壓誤差為±1%，所以參考端能精確地控制TL431的導(dǎo)通與截止。

3.并聯(lián)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

3.1基本并聯(lián)穩(wěn)壓電路原理

TL431內(nèi)部含有一個(gè)2.5V的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在Vref端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過(guò)從陰極到陽(yáng)極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖4所示的電路，當(dāng)R1和R2的阻值確定時(shí)，兩者對(duì)VO的分壓引入反饋，若增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致VO下降。顯見(jiàn)，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)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(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)R1=R2時(shí)，VO=5V.若使R1短路，R2開路，即把參考端與陰極端短接，此時(shí)則有輸出電壓VO=2.5V（參考端電壓），最適合用于數(shù)字電壓表和模數(shù)轉(zhuǎn)換器或其它電路中作基準(zhǔn)電壓源。

需要注意的是，和在選擇電阻R時(shí)必須保證TL431工作的必要條件，就是通過(guò)陰極的電流要大于1mA，R1和R2要選擇精度為1%的同類電阻，才能保證基準(zhǔn)電源的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.2并聯(lián)擴(kuò)流穩(wěn)壓電路

在多種應(yīng)用電路中，實(shí)際上是將圖5為在圖4的基礎(chǔ)上將電路稍加改進(jìn)，采用三極管擴(kuò)流，組成大電流基準(zhǔn)電壓源，且圖5中的晶體管可根據(jù)負(fù)載電流的大小選用不同功率的晶體管，這時(shí)限流電阻R也要相應(yīng)增加其功率。

并聯(lián)穩(wěn)壓電路適用于各種傳感器、變送器、和儀表各種A/D轉(zhuǎn)換器中，圖6就是在電偶變送器中的應(yīng)用。

4.串聯(lián)擴(kuò)流穩(wěn)壓電路

TL431除了可使用在并聯(lián)穩(wěn)壓電路中，圖4和圖5中的限流電阻R的功耗就要隨著輸入電壓的不同而功率發(fā)生變化，需用功率大的限流電阻，否則就會(huì)因電流過(guò)大而損壞。

采用串聯(lián)行的接法，如圖7，解決了上述問(wèn)題。將流經(jīng)限流電阻R電流的分流一部分，用兩個(gè)NPN的三極管V1和V2，通過(guò)NPN+NPN的同極性接法夠成NPN型達(dá)林頓管，放大倍數(shù)是V1和V2的放大倍數(shù)的乘積。這樣集電極不僅分流了圖5電阻R承受的大部分電流，解決了所需大功率電阻的問(wèn)題，而且因達(dá)林頓管的電流放大能力增強(qiáng)，使TL431帶載能力增強(qiáng)，不用大功率三極管就可接大電流負(fù)載。

實(shí)際應(yīng)用中，為差動(dòng)變壓器式位移傳感器LVDT穩(wěn)壓電源時(shí)，當(dāng)負(fù)載電流為50mA時(shí)，流經(jīng)R的電流僅為1mA，流過(guò)達(dá)林頓集電極的電路為49mA，電阻R采用小功率表貼電阻就能滿足需要，實(shí)現(xiàn)恒壓功能。而且在寬電源輸入下，輸出變化量小。如表1，測(cè)試條件為R1=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，R=3KΩ，負(fù)載電流50mA，TL431選用SOT-89封裝，型號(hào)為TL431QPK，寬電壓供電的情況下僅變化1mV.如果在并聯(lián)電路中使用，替代圖5中所示電路，效果更好。

圖6所示電路具有良好的熱穩(wěn)定性。由于TL431的溫度漂移低，0℃~40℃為6mV，-40℃~85℃和-40℃~125℃為14mV，所以輸出電壓的溫度特性要比普通恒壓源好的多，如果R1和R2選用溫度漂移系數(shù)低的電阻，恒壓電路的整體溫度漂移也很小，在應(yīng)用中無(wú)需附加溫度補(bǔ)償電路。實(shí)際應(yīng)用中，R1=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，從型號(hào)TL431QPK，SOT-89封裝50個(gè)芯片中隨機(jī)抽取3支，用圖6所示電路作為差動(dòng)變壓器式位移傳感器的穩(wěn)壓電路，溫區(qū)范圍-40℃~125℃，溫漂測(cè)量如表2所示，僅有幾個(gè)到十幾毫伏，均符合所給指標(biāo)。

可見(jiàn)串聯(lián)電路提高了穩(wěn)定精度，降低了TL431的功耗，減少了TL431因過(guò)熱而損壞的機(jī)率，上述電路不但可以作為工業(yè)級(jí)的傳感器穩(wěn)壓基準(zhǔn)，而且可以為寬溫區(qū)低溫漂的軍品級(jí)的產(chǎn)品精密穩(wěn)壓電源基準(zhǔn)，是一款實(shí)用的精密線性穩(wěn)壓電路。

5.結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)TL431三端可調(diào)精密內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，闡述了并聯(lián)穩(wěn)壓電路和串聯(lián)穩(wěn)壓電路的基本構(gòu)成和性能。提出了一種TL431的線性精密穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案。后經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期應(yīng)用證明本方案所設(shè)計(jì)的基于TL431的可調(diào)式精密穩(wěn)壓電源實(shí)現(xiàn)了大功率、寬電壓、低溫漂的功能，性價(jià)比高具有很強(qiáng)的使用性能.