AZ431：精密可调式并联稳压器

AZ431是一款广泛应用于各种电源管理和稳压电路中的高性能、精密可调式并联稳压器（Shunt Regulator），或通常被称为可编程稳压二极管（Programmable Zener Diode）。它在许多电子设备中扮演着至关重要的角色，从简单的直流-直流转换器到复杂的开关电源，以及各种稳压、过压保护和电流限制电路。AZ431以其高精度、宽电压范围、低温度系数以及灵活的外部配置能力而备受工程师青睐。

AZ431 的核心功能与工作原理

AZ431的核心功能是提供一个精确可调的参考电压，并在其阴极电压达到这个参考电压时，通过调节其阳极-阴极之间的电流来维持输出电压的稳定。与传统的固定电压稳压二极管不同，AZ431的输出电压并非固定值，而是可以通过外部电阻分压网络进行精确编程。

等效电路模型

为了更好地理解AZ431的工作原理，我们可以将其视为一个内部集成了精密参考电压源、高增益误差放大器以及一个NPN型输出晶体管的集成电路。

• 精密参考电压源： AZ431内部集成了一个非常稳定的参考电压，通常被称为内部基准电压 (VREF)。对于大多数AZ431型号，这个基准电压典型值为2.5V。这个基准电压是AZ431能够提供精确稳压的基础。它对温度变化和电源电压波动具有很好的抑制能力，确保了稳压的稳定性。

• 高增益误差放大器： 误差放大器的作用是比较AZ431的参考（R）引脚电压与内部基准电压 (VREF)。R引脚通常通过外部电阻分压器连接到被调节的输出电压。当R引脚的电压与内部基准电压不相等时，误差放大器会产生一个误差信号。这个误差信号的增益非常高，意味着即使很小的电压偏差也能引起显著的输出响应。

• NPN型输出晶体管： 误差放大器的输出连接到内部NPN型晶体管的基极。这个晶体管的集电极连接到AZ431的阴极（K）引脚，发射极连接到阳极（A）引脚。误差放大器产生的误差信号会控制NPN晶体管的导通程度，从而调节流过AZ431的电流 (IK)。

稳压过程详解

当AZ431被配置为并联稳压器时，其阴极（K）通常连接到需要稳压的输出电压点，阳极（A）连接到地或一个负电源轨，而参考（R）引脚通过一个分压电阻网络连接到阴极。

1. 电压采样： 输出电压通过外部电阻分压器（R1和R2）进行采样，并将分压后的电压反馈到AZ431的参考（R）引脚。

2. 误差比较： AZ431内部的误差放大器会比较R引脚的采样电压与内部的2.5V基准电压 (VREF)。

3. 电流调节：

• 如果R引脚电压高于VREF（即输出电压偏高），误差放大器会增大其输出，导致内部NPN晶体管的导通程度增加，从而使流过AZ431的阴极电流 (IK) 增大。由于AZ431是并联在负载上的，增加的IK会分流更多的电流，使得流向负载的电流减少，从而将输出电压拉低。

• 如果R引脚电压低于VREF（即输出电压偏低），误差放大器会减小其输出，导致内部NPN晶体管的导通程度减小，从而使流过AZ431的阴极电流 (IK) 减小。减少的IK意味着流向负载的电流增加，从而将输出电压拉高。

4. 达到平衡： 这个反馈回路会一直工作，直到R引脚的电压精确地等于内部基准电压2.5V。此时，系统达到稳定状态，输出电压被精确地稳定在预设值。

通过调节外部电阻分压器（R1和R2）的比例，我们可以精确地设定AZ431所要稳定输出的电压。其输出电压 (VOUT) 的计算公式为：

VOUT=VREF×(1+R2R1)

其中，VREF通常为2.5V。

AZ431 的主要特性与参数

AZ431之所以广泛应用，得益于其优异的电气特性。了解这些参数对于正确选择和设计电路至关重要。

1. 可编程输出电压

这是AZ431最显著的特点。通过外部电阻分压网络，输出电压可以从VREF（通常为2.5V）调节到最高36V（具体取决于型号）。这种灵活性使其适用于多种电压轨的稳压。

2. 精密参考电压 (VREF)

AZ431的内部基准电压非常精确，典型值为2.5V，且具有较低的容差。这保证了其在各种应用中都能提供高精度的稳压。

3. 低输出阻抗

在正常工作范围内，AZ431表现出非常低的动态输出阻抗，这意味着它能够有效地抑制负载变化和电源波动对输出电压的影响。

4. 宽工作电流范围

AZ431通常可以在较宽的阴极电流范围内稳定工作，例如从1mA到100mA或更大（具体取决于型号）。这使得它能够适应不同负载条件下的电流需求。

5. 低温度系数

AZ431的内部基准电压具有非常低的温度系数，这意味着其输出电压随温度变化的漂移很小。这对于要求在宽温度范围内保持稳定性能的电路至关重要。

6. 宽工作温度范围

大多数AZ431型号都支持较宽的工作温度范围，例如-40°C至85°C，甚至更宽的工业级和汽车级温度范围。

7. 快速响应时间

AZ431具有较快的瞬态响应能力，能够迅速响应输入电压或负载电流的变化，从而有效地维持输出电压的稳定。

8. 多种封装形式

AZ431提供多种标准封装，如SOT-23、TO-92、SOP-8等，方便工程师根据电路板空间和功耗要求进行选择。

9. 内部保护

部分AZ431型号可能集成有内部过流或过热保护，以提高器件的鲁棒性，但通常对于并联稳压器，外部保护措施更为常见。

AZ431 的典型应用电路

AZ431作为一种多功能器件，其应用场景非常广泛。以下是一些常见的典型应用：

1. 精密可调式并联稳压器

这是AZ431最基本和最常见的应用。通过外部电阻分压器（R1和R2），可以精确地设定输出电压。

电路描述：

• 一个限流电阻R_limit串联在输入电源和AZ431的阴极之间，用于限制通过AZ431的电流，并吸收当负载电流减小时AZ431需要分流的额外电流。

• AZ431的阴极（K）连接到稳压输出点。

• AZ431的阳极（A）接地。

• R1和R2构成一个分压器，从阴极取样输出电压，并将其反馈到参考（R）引脚。

• 在阴极和地之间可以并联一个滤波电容C_out，以进一步平滑输出电压并改善瞬态响应。

工作原理：

当输出电压升高时，通过R1和R2分压后反馈到R引脚的电压也随之升高，超过2.5V。AZ431内部误差放大器检测到这个差异，并驱动内部晶体管导通更深，从而增加流过AZ431的电流 (IK)。这会使得限流电阻R_limit上的压降增加，从而将输出电压拉低，直至R引脚电压回到2.5V。反之亦然。

2. 开关电源（SMPS）的反馈回路

在开关电源，尤其是反激式（Flyback）和正激式（Forward）转换器中，AZ431常用于隔离的反馈环路，为光耦提供精确的误差信号。

电路描述：

• AZ431的阴极连接到开关电源的输出电压通过分压电阻网络（R1和R2）。

• 光耦的LED部分串联在AZ431的阴极和输出地之间。

• AZ431的参考（R）引脚连接到R1和R2的分压点。

• AZ431的阳极连接到输出地。

工作原理：

AZ431在此作为误差放大器，将输出电压与内部2.5V基准电压进行比较。当输出电压偏离设定值时，AZ431会调节流过光耦LED的电流。光耦的另一侧连接到开关电源的PWM控制器，从而调节开关管的占空比，将输出电压稳定在设定值。这种配置实现了输出与初级侧的隔离，同时提供了高精度的稳压。

3. 过压保护电路

AZ431可以作为一个精密电压检测器，用于实现过压保护。

电路描述：

• AZ431的参考（R）引脚通过分压电阻网络连接到被监控的电压。

• 当被监控电压超过预设阈值时，AZ431导通。

• AZ431的阴极可以驱动一个继电器、晶闸管或其他保护电路，从而切断电源或触发报警。

工作原理：

通过调整分压电阻，设定一个过压点。当被监控电压超过这个点，导致AZ431的R引脚电压超过2.5V时，AZ431将导通，其阴极电流显著增加，从而激活保护机制。

4. 限流电路

通过巧妙的设计，AZ431也可以用于实现简单的限流功能。

电路描述：

• 一个小的采样电阻串联在负载电流路径中。

• AZ431的参考（R）引脚连接到采样电阻的一端，其阴极连接到另一端，或者通过其他方式监测采样电阻上的压降。

• 当负载电流过大，导致采样电阻上的压降达到一定值时，AZ431导通并激活保护。

工作原理：

当电流增大到一定程度时，采样电阻上的电压降将导致AZ431的R引脚电压达到2.5V，从而使其导通，进而限制电流的进一步增加或触发保护。

5. 电池充电器

在电池充电器中，AZ431可以用于实现恒压（CV）充电阶段的电压调节。

电路描述：

• AZ431连接到电池两端，通过分压电阻设置充电结束电压。

• 当电池电压达到设定值时，AZ431将稳压，从而将充电电流减小到涓流充电水平或停止充电。

工作原理：

与并联稳压器类似，AZ431监控电池电压。一旦电池电压达到目标值，AZ431开始分流电流，使得充电器输出电压保持恒定，从而保护电池免受过充。

AZ431 的设计考虑事项与注意事项

在设计使用AZ431的电路时，需要考虑以下几个关键因素，以确保电路的稳定性和性能：

1. 最小阴极电流 (IK(min))

AZ431需要一个最小的阴极电流才能正常工作并保持其参考电压的稳定性。这个值通常在数据手册中指定，例如1mA。在设计并联稳压器时，即使在空载情况下，也必须确保流过AZ431的电流不低于这个最小值。这通常通过选择合适的限流电阻或在负载较小时添加一个最小负载电阻来实现。

2. 最大阴极电流 (IK(max))

AZ431可以处理的最大阴极电流也是一个关键参数。超出此电流可能会损坏器件。在选择限流电阻时，需要确保在最坏情况下（例如输入电压最高、输出电压最低或负载电流最小），通过AZ431的电流不会超过其最大额定值。

3. 功耗 (PD)

AZ431在稳压过程中会消耗功率，尤其是作为并联稳压器时。其功耗可以通过 PD=VK×IK 来估算，其中VK是阴极电压，IK是阴极电流。在设计时，需要确保AZ431的功耗不超过其封装所允许的最大功耗，必要时需要考虑散热。

4. 外部电阻的选择（R1和R2）

• 精度： R1和R2的精度直接影响输出电压的精度。推荐使用1%或更高精度的电阻。

• 温度系数： 选用低温度系数的电阻可以减小输出电压随温度的漂移。

• 电阻值： R1和R2的值不应过大，以避免噪声干扰和反馈路径的高阻抗；也不应过小，以免造成过大的功耗。通常，R2的值可以根据流过分压器的电流来选择，确保该电流远大于AZ431的参考引脚输入偏置电流 (IREF) 但又不会过大。

5. 稳定性与补偿

尽管AZ431内部集成了误差放大器，但在某些应用中，特别是在开关电源反馈回路中，可能需要外部补偿电容来确保环路的稳定性。这通常是为了防止振荡。在并联稳压器应用中，通常会在AZ431的阴极和地之间并联一个小的电容（例如100nF），以改善高频性能和抑制噪声。

6. 光耦选择（在隔离型电源中）

当AZ431与光耦配合使用时，需要选择合适的电流传输比（CTR）的光耦。光耦LED的电流由AZ431控制，因此光耦的CTR会影响整个反馈环路的增益和稳定性。

7. 噪声与纹波抑制

为了提高输出电压的质量，建议在AZ431的阴极（K）和地之间放置一个旁路电容，以滤除高频噪声和纹波。此外，适当的布局和接地技术也能有效降低噪声。

8. 输入电压范围

需要确保输入电压在AZ431的阴极-阳极电压 (VK−A) 工作范围内。AZ431通常具有一个最小工作电压，通常略高于VREF，以及一个最大额定电压。

9. 启动特性

在某些应用中，需要考虑AZ431的启动特性。例如，在并联稳压器中，如果输入电压缓慢上升，AZ431可能在达到稳定状态之前经历一个瞬态过程。

AZ431 与 TL431 的区别

在市场上，TL431和AZ431是非常常见的精密可调式并联稳压器，它们的功能和引脚配置几乎是相同的。AZ431通常是TL431的兼容替代品，由不同的半导体制造商生产。

主要的区别可能在于：

• 制造商： TL431通常指德州仪器（Texas Instruments）的TL431系列，而AZ431可能由安森美（ON Semiconductor）、台湾立錡科技（Richtek Technology）等其他厂商生产。

• 性能参数的细微差异： 尽管功能相同，但不同制造商的产品在某些具体参数上可能存在细微差异，例如：

• 初始精度（Initial Accuracy）： VREF的初始容差。

• 温度系数： VREF随温度变化的漂移。

• 最小/最大阴极电流： 允许的工作电流范围。

• 动态输出阻抗： 稳压能力的体现。

• 噪声特性： 输出噪声水平。

• 封装和命名： 尽管引脚兼容，但在数据手册和零件编号上会有所不同。

• 成本和供货： 不同品牌的器件在价格和供货渠道上可能存在差异。

在大多数通用应用中，TL431和AZ431通常可以互换使用。但在对性能要求极高的场合，建议仔细查阅具体型号的数据手册，以确认其参数是否满足设计需求。

总结

AZ431作为一款功能强大的精密可调式并联稳压器，凭借其高精度、灵活性和可靠性，在现代电子设计中占据着不可或缺的地位。无论是简单的电压稳压、复杂的开关电源反馈，还是各种保护和检测电路，AZ431都能提供高效而精确的解决方案。掌握其工作原理、电气特性以及设计考虑事项，对于任何从事电源管理和模拟电路设计的工程师而言都至关重要。通过深入理解其内部机制和外部配置方法，工程师可以充分利用AZ431的潜力，设计出性能卓越、稳定可靠的电子产品。