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2018/01
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TL431可控精密稳压源典型应用案例-电源维修
TL431是可控精密稳压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替稳压二极管，例如，数字电压表，运放电路，可调压电源，开关电源等。那么TL431究竟是什么呢？下面由安泰电源维修司工为大家一一介绍：
一、TL431 取样补偿当中的原件值计算
TL431作为一种可控的精密稳压源，具有价格低、性能高的特点，因此被大量应用在各种电子电路当中。下文章将为大家介绍TL43取样补偿当中的原件值计算。以下面的电路图为例，其中R6的数值并不是随便决定的。R6的参数主要取决于两个因素：第一个是TL431参考输入端的电流，一般此电流为2uA左右，为了避免此端电流影响分压比，以及避免噪音的影响，一般取流过电阻R6的电流为参考段电流的100倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K。第二个是待机功耗的要求，如有此要求，在满足<12.5K的情况下尽量取大值。熟悉电源设计的各位一定都知道，TL431需要1mA的工作电流，这就意味着当R1的电流接近于零时，也要保证TL431有1mA，所以R3≤1.2V/1mA=1.2K即可。另一方面也是出于功耗方面的考虑。所以对电路的设计而言，R1的取值非常重要，它必须确保TOP控制端能够得到足够的电流。假设用PC817A，其CTR=1.6-0.8，取低限0.8，要求流过光二极管的最大电流为6/0.8=7.5mA，所以R1的值≤(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K，光二极管能承受的最大电流在50mA左右，TL431为100mA，所以取流过R1的最大电流为50mA，R1>(15-2.5-1.3)/50=226欧姆。在上图当中，我们可以看到R5 与C4 形成了在原点当中的极点，被用来对低频增益进行提升，来压制低频(100Hz)纹波和提高输出调整率，即静态误差。R4C4 形成一个零点，来提升相位，要放在带宽频率的前面来增加相位裕度，具体位置要看其余功率部分再设计带宽处的相位是多少，R4C4 的频率越低，其提升的相位越高，当然最大只有90 度，但其频率很低时低频增益也会减低，一般放在带宽的1/5 处，约提升相位78 度。至此，就是TL431 的取样补偿中原件值的完整计算方法。不仅如此，这种方法适用于任何初级的IC，有兴趣的朋友们可自行替换成另一型号的IC 来进行计算。
二、开关电源中TL431 的运行原理及典型应用
在早期的开关电源当中，组成取样的工作主要由三极管和二极管来完成。但是由于它们在参数上差别比较大，会为调试造成一定的阻碍。现如今，随着技术的进步，开关电源逐渐放弃了老旧的三极管和二极管，转而采用三端精密稳压源来进行取样和误差检测。而三端精密稳压源当中的经典，就非TL431 莫属了。在三端精密稳压器内部有温度补偿的高精度并联放大器，其内部基准电压精度非常高，所有产品的典型值均为2.495V，而其误差电压范围允许为2.44~2.55V，允许工作温度范围用尾缀字母表示，C 为-10~85 摄氏度，I 为-40~85 摄氏度，M 为-55~125 摄氏度。所以，无论是精度还是稳定度均非普通稳压二极管所能达到的。在使用TL431 进行设计时，我们要注意，为了让TL431 内部的放大器处于线性区，要让Uka=Uref。Ika 大于1mA，内部放大器的电压小于37V，其最大功耗为500mW~1W。一般开关电源中的误差放大器，功耗是不可能达到500mW 的。TL431 的用法很多，如果将R 端与K 端连接，即等效一只2.5V/100mA 的高精度稳压二极管。另外，TL431 还可以组成2.5V~36V 的可调并联稳压电源。由TL431 组成的取样电路，由于其内部比较器具有极高的增益，在使放大器动作时，取样电路仅需输入4 微安以下的电流即可，因此对取样分压器的影响极小。
TL431 在开关电源当中取样和误差放大的典型应用电路图如上图所示。开关电源输出电压Uo 由R1、R2 分压，正常时得到2.5V 的取样电压，送到TL431 的控制端R。因为R 端电流极小，可以忽略，因而R1、R2 的取值可以按输出电源Uo 与2.5V 之比选取，即Uo=2.5*(1+R1/R2)。当Uo 上升时，R 端电压升高，Ika 增大，光耦合器发光二极管电流也增大，通过光耦合器次级控制开关脉冲的脉宽减小，输出电压降低，起到了稳定输出电压的作用。TL431 和光电耦合器的工作电压为Ui，一般取自开关电源5~12V 稳压电源，R3 则限制TL431 的电流Ika，使光电耦合器工作在线性区内。由于TL431 的比较器和放大器增益都较高，使用中常在K-R 极之间接入RC 电路，以防止寄生振荡。
在我们想要对TL431 的电路进行检测时，使用传统的电阻法是无法准确判断出好坏的。因为三端精密稳压器为集成电路，等效电路只是示意其内部功能，实际内部电路较为复杂。当开关电源出现失控或无输出电压故障时，如果怀疑取样误差放大器发生故障，可根据上图中的电路检测TL431。Ui 选择小于35V 的直流电压，R1 将电路短路电流限制在100mA 以内，R2、R3 为控制极供电调整，选择R3/R2+R3 大于或等于2.5。当调整R3 时，Uo 能在2.5V~Ui之间均匀变化，则判断三端精密稳压器TL431 完全正常。上文主要对TL431 在开关电源当中的应用和电路运行原理进行了介绍，并对典型电路进行了分析，并给出了TL431 电路的检测方法。希望大家通过这篇文章能够进一步了解TL431 在开关电源当中的使用。
三、精密稳压源TL431 应用方式介绍
TL431 是在电子电力设计当中较经典的一种可控精密稳压源，它能够在很多场合当中起到代替稳压二极管的作用，在开关电源、运放电路、可调压电源当中都有广泛的应用，下文章主要对TL431 的的应用进行简洁的介绍。TL431 精密可调基准电源有如下特点:稳压值从2.5~36V 连续可调;参考电压原误差+-1.0%,低动态输出电阻,典型值为0.22 欧姆输出电流1.0~100 毫安;全温度范围内温度特性平坦,典型值为50ppm;低输出电压噪声。
典型应用电路如下:
1、精密基准电压源(附图1)该电路具有良好的温度稳定性及较大的输出电流.但在连接容性负载时，应特别注意CL 的取值，以免自激。
2、可调稳压电源(附图2)Vo 可在2.5~36V 之间调节.V0=Vref(1+R1/R2)(Vref=2.5v),由于承受电压与(Vi -Vo)有关,因此压差很大时,R 的功耗随之增加.使用时注意。
3、过电压保护电路(附图3)当Vi 超过一定电压时,TL431 触发,使晶闸管导通,产生瞬间大电流,将保险丝熔断,从而保护后极电路.V 保护点=(1+R1/R2)Vref。
4、恒流源电路恒流值与Vref 和外加电阻有关,功率晶体管选用时要考虑余量.该恒流源如与稳压线路配接,可做电流限制器用.
5、比较器，它是巧妙的运用了Vref=2.5v 这个临界电压.当ViVref 时,Vo=2V 由于TL431 内阻小,因而输入输出波形跟踪良好.
作为一种并联的稳压集成电路，TL431 在性能和价格上都有着很大的优势，充分理解并学习TL431 的应用，有助于我们更好的使用TL431，从而得设计出更加高效并且简便的电路。
四、PC817 与TL431 的配合电路探讨
TL431 是一种精密稳压源，而PC817 是一种光电耦合器件。在开关电源当中，对稳压反馈电路的设计通常会使用TL431 和PC817 来配合进行。在反激电源设计当中，反馈电路常常使用它们来作为参考。所以这两者的配合总是工程师们津津乐道的话题，本篇文章来自于论坛技术达人，借助TOPSwicth 的典型应用，来说明TL431 和PC817 的配合问题。首先，先来看一下基于TOPSwicth 的，TL431 和PC817 配合使用电路图。
图1 TL431 和PC817 配合使用电路图
接下来，以图1 为参考，将对电路图当中的各项参数进行分析和讲解。想要弄明白两者之间的关系，就首先要确定图1 中TL431 部分里，R1、R3、R5、R6 这四项参数的数值。设输出电压为Vo，辅助绕组整流输出电压为12V。该电路利用输出电压与TL431 构成的基准电压比较，通过光电耦合器PC817 的电流变化去控制TOP 管的C 极，从而改变PWM 宽度，达到稳定输出电压的目的。因为被控对象是TOP 管，因此首先要搞清TOP 管的控制特性。
从TOPSwicth 的技术手册可知，流入控制脚C 的电流Ic 与占空比D 成反比关系，如图2 所示。Ic 的电流应在2-6mA 之间，PWM 会线性变化，因此PC817 三极管的电流Ice 也应在这个范围变化。而Ice 是受二极管电流If 控制的，通过PC817 的Vce 与If 的关系曲线(如图3 所示)，可以正确确定PC817 二极管正向电流If。从图3 可以看出，当PC817 二极管正向电流If 在3mA 左右时，三极管的集射电流Ice 在4mA 左右变化，而且集射电压Vce 在很宽的范围内线性变化，符合TOP 管的控制要求。
因此可以确定选PC817 二极管正向电流If 为3mA。再看TL431 的要求，从TL431 的技术参数可知，Vka 在2.5V-37V 变化时，Ika 可以在1mA 到100mA 内很大范围的变化，一般选20mA 即可，既可以稳定工作，又能提供一部分死负载。不过对于TOP 器件因为死负载很小，只选3-5mA 左右就可以了。上面的几个关系很重要，有它们的铺垫，文章开头我们提到的那几个电阻数值就比较容易确定了。根据TL431 的性能，R5、R6、Vo、Vr 有固定的关系：Vo=(1+ R5/R6) Vr在式中，Vo 为输出电压、Vr 为参考电压、Vr=2.50V，先取R6 一个值，例如R6=10k，根据Vo 的值就可以算出R5 了。再来确定R1 和R3。由前所述，PC817 的If 取3mA，先取R1 的值为470Ω，则其压降为Vr1=If* R1，由PC817 技术手册知，其二极管的正向压降Vf 典型值为1.2V，则可以确定R3 上的压降Vr3=Vr1+Vf，又知流过R3 的电流Ir3=Ika-If，因此R3 的值可以计算出来：R3=Vr3/Ir3= (Vr1+Vf)/( Ika-If)根据以上计算可以知TL431 的阴极电压值Vka，Vka=Vo’-Vr3，式中Vo’取值比Vo 大0.1-0.2V 即可，举一个例子，Vo=15V，取R6=10k。R5=(Vo/Vr-1)R6=(12/2.5-1)*10=50K;取R1=470Ω，If=3mA、Vr1=If* R1=0.003*470=1.41V、Vr3=Vr1+Vf=1.41+1.2=2.61V。取Ika=20mA、Ir3=Ika-If=20-3=17、R3= Vr3/ Ir3=2.61/17=153Ω。TL431 的阴极电压值Vka、Vka=Vo’-Vr3=15.2-2.61=12.59V。结果：R1=470Ω、R3=150Ω、R5=10KΩ、R6=50K。这样就顺利的求出了几个关键电阻的阻值。关于R6 的数值，这个参数的阻值并不是随意决定的。要考虑两个因素，第一、TL431参考输入端的电流。一般此电流为2uA 左右，为了避免此端电流影响分压比和避免噪音的影响，一般取流过电阻R6 的电流为参考段电流的100 倍以上，所以此电阻要小于2.5V/200uA=12.5K。第二、待机功耗的要求。如有此要求，在满足小于12.5K 的情况下尽量取大值。TL431 要求有1mA 的工作电流，也就是R1 的电流接近于零时，也要保证TL431 有1mA，所以R3≤1.2V/1mA=1.2K 即可。除此以外也是功耗方面的考虑。R1 的取值要保证TOP 控制端取得所需要的电流，假设用PC817A，其CTR=0.8-1.6，取低限0.8，要求流过光二极管的最大电流为6/0.8=7.5mA，所以R1 的值≤(15-2.5-1.2)/7.5=1.5K，光二极管能承受的最大电流在50mA 左右，TL431 为100mA，所以我们取流过R1 的最大电流为50mA，R1>(15-2.5-1.3)/50=226 欧姆。为了提升低频上的增益以及压制低频波纹，就需要R5C4 制造一个原点上的极点。也就是静态误差，R4C4 形成一个零点，来提升相位，要放在带宽频率的前面来增加相位裕度，具体位置要看其余功率部分在设计带宽处的相位是多少，R4C4 的频率越低，其提升的相位越高，当然最大只有90 度，但其频率很低时低频增益也会减低，一般放在带宽的1/5 处，约提升相位78 度。本文由安泰维修仪器仪表维修网整理发布，更多有关电测仪器维修知识欢迎访问安泰维修网（www.agitekservice.com）
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