TL431精密可调分流稳压器：原理、应用与设计指南

TL431是一款应用极为广泛的精密可调分流稳压器，因其卓越的性能、低成本和灵活的应用方式，在电源管理、电压参考、开关电源反馈回路等领域占据了不可替代的地位。它本质上是一个可编程的齐纳二极管，能够提供一个高精度的电压参考，并具备驱动能力，使其成为各种稳压和电压监测电路的理想选择。

TL431引脚图与引脚功能

TL431通常采用多种封装形式，其中最常见的是TO-92、SOT-23和SOP-8。尽管封装不同，但其核心功能引脚是相同的。

• TO-92封装（三引脚）：

• 阴极 (Cathode, K)：这是TL431的输出端，通常连接到需要稳压的电路点。通过该引脚流过TL431的电流，其电压被调节。

• 阳极 (Anode, A)：这是TL431的公共接地端或参考端。在大多数应用中，它连接到电路的地。

• 参考输入 (Reference Input, REF)：这是TL431的控制端。它与内部的2.5V精密参考电压进行比较。当REF引脚的电压超过2.5V时，TL431的阴极-阳极之间的等效电阻减小，从而允许更大的电流流过。

• SOT-23封装（三引脚）：引脚功能与TO-92相同，只是封装尺寸更小，适用于空间受限的应用。

• SOP-8封装（八引脚）：虽然有八个引脚，但通常只有三个核心功能引脚被使用，其余引脚可能是NC（未连接）或用于多路TL431集成在同一个芯片内。核心功能引脚的定义与TO-92和SOT-23相同。

理解这些引脚的功能是正确使用TL431的关键。阴极和阳极构成了一个可变电阻，其阻值由参考输入端的电压控制。这种控制机制使得TL431能够精确地调整流过自身的电流，从而实现稳压功能。

TL431工作原理深度解析

TL431的核心是一个高增益的误差放大器和一个精密电压参考。其内部电路结构包括一个基准电压源、一个比较器和一个输出晶体管。

当TL431的参考输入（REF）电压低于内部的2.5V精密基准电压时，误差放大器输出高电平，驱动输出晶体管处于高阻态（关断），此时阴极（K）和阳极（A）之间相当于开路，流过TL431的电流很小。

当REF电压等于或略高于2.5V时，误差放大器开始工作，其输出会调节输出晶体管的导通程度。如果REF电压略高于2.5V，误差放大器会降低输出晶体管的等效电阻，允许更多的电流从阴极流向阳极。这会使得阴极的电压下降，从而将REF电压拉回到2.5V。反之，如果REF电压低于2.5V，误差放大器会增加输出晶体管的等效电阻，减少电流，使得阴极电压上升，将REF电压推向2.5V。

通过这种负反馈机制，TL431能够将REF引脚的电压精确地稳定在2.5V。其稳压的本质是TL431像一个可变电阻一样，通过改变自身的导通程度来吸收或释放电流，从而维持其阴极电压的稳定，或者通过分压电阻网络将某个输出电压稳定在期望值。

TL431的等效电路可以看作是一个受控电流源，其电流大小由REF引脚电压与内部2.5V基准电压的差值决定。这种特性使得TL431不仅可以用作简单的齐纳二极管替代品，更可以作为精密电压比较器和误差放大器来使用。

TL431典型应用电路

TL431的强大之处在于其应用的灵活性。以下是几个典型的应用示例：

1. 精密可调稳压电源

这是TL431最常见的应用之一。通过在REF引脚连接一个分压电阻网络，可以设定一个精确的输出电压。

       ┌───────┐
Vin────┤       ├───Vout
       │ TL431 │
       │       │
       └─┬─┬─┬─┘
         │ │ │
         R1│ │
         │ │ │
         R2│REF│
         │ │ │
         GND─┴─┴─K
             A

• 电路描述：在这个电路中，TL431的阴极（K）连接到输出电压Vout，阳极（A）接地。REF引脚通过分压电阻R1和R2连接到Vout。输出电压通过以下公式确定：

  V_out=V_reftimes(1+fracR1R2)

  其中 V_ref 是TL431内部的2.5V参考电压。通过选择合适的R1和R2的比例，可以精确地设置Vout。例如，如果R1 = R2，则Vout = 5V。

• 工作原理：当Vout偏离设定值时，REF引脚的电压也会偏离2.5V。TL431的内部误差放大器会检测到这个偏差，并调整其阴极-阳极之间的导通程度，从而改变流过负载和TL431的电流分配，将Vout拉回到设定值。如果Vout过高，REF电压会超过2.5V，TL431会更导通，Vout下降；如果Vout过低，REF电压会低于2.5V，TL431会截止，Vout上升。

2. 固定电压基准

TL431可以作为高精度的固定电压基准，例如2.5V基准。

       ┌───────┐
Vin────┤       ├───Vout = 2.5V
       │ TL431 │
       │       │
       └─┬─┬─┬─┘
         │ │ │
         K │REF│
         │ │ │
         A─┴─┴─GND

• 电路描述：将TL431的REF引脚直接连接到阴极（K），阳极（A）接地。此时，TL431会努力将其阴极电压稳定在2.5V。

• 工作原理：由于REF引脚直接反馈阴极电压，TL431会强制阴极电压等于内部基准电压2.5V，从而提供一个高精度的2.5V电压基准。这种用法非常简单，但提供了优于普通齐纳二极管的精度和温度稳定性。

3. 开关电源（SMPS）反馈回路

TL431在隔离型开关电源中扮演着至关重要的角色，常与光耦配合使用，将输出电压信息反馈给原边控制器，实现稳压。

                      ┌────────┐
Vout──────────────────┤   R1   ├───┐
                      └────────┘   │
                                   REF
                                   │  ┌───────┐
                      ┌────────┐   ├──┤ TL431 │
                      │   R2   │   │  └─┬─┬─┬─┘
                      └────────┘   │    │ │ │
                                   │    K │ │
                                   │    │ │ │
                                   │    A │ │
                                   │    │ │ │
                                   └────┴─┴─R3───┬───┐
                                                  │   │
                                                  │   │
                                            Optocoupler│
                                                  │   │
                                                  │   │
                                                GND───┴───GND_secondary

• 电路描述：在典型的反激或正激拓扑中，TL431通常放置在次级侧。它通过R1和R2分压网络检测输出电压Vout，并将分压后的电压（即REF引脚电压）与2.5V基准进行比较。TL431的阴极（K）通过限流电阻R3连接到光耦的LED正极，光耦的负极接地。

• 工作原理：当输出电压Vout偏离设定值时，REF引脚电压随之变化。TL431会调节流过光耦LED的电流。如果Vout过高，REF电压超过2.5V，TL431会更导通，增加流过LED的电流，光耦发光增强，原边控制器接收到的信号发生变化，从而减小占空比，拉低输出电压。反之，如果Vout过低，TL431会减少流过LED的电流，光耦发光减弱，原边控制器增加占空比，抬高输出电压。通过这种光隔离的反馈机制，实现了对输出电压的精确调节。

4. 过压/欠压保护电路

TL431的精密比较功能使其非常适合用于实现过压或欠压保护。

• 过压保护：通过设置分压电阻网络，当输入电压超过某一阈值时，TL431的REF引脚电压达到2.5V，TL431导通，触发一个保护机制（例如拉低某个控制信号，或驱动继电器切断电源）。

• 欠压保护：同样地，可以设计电路，当输入电压低于某一阈值时，TL431截止或导通，从而触发保护动作。

TL431的关键参数与设计注意事项

在使用TL431进行电路设计时，需要关注以下几个关键参数和设计要点：

1. 最小阴极电流 (I_K(min))

为了使TL431正常工作并维持其参考电压的精度，必须保证流过阴极的电流(I_K)不低于其最小阴极电流。通常，这个值在1mA左右，具体数值需要查阅数据手册。如果电流过小，TL431可能无法正常稳压，其REF引脚电压可能不稳定。在设计分压电阻R1和R2时，需要确保即使在轻载条件下，TL431也能获得足够的偏置电流。

2. 最大阴极电流 (I_K(max))

TL431的阴极电流也有一个最大限制，通常在100mA左右。超过这个值可能会损坏器件。在设计输出电路时，需要确保在任何工作条件下，流过TL431的电流不会超过这个限制。特别是在作为分流稳压器时，负载电流的最小值和稳压器的设计电流需要共同考虑。

3. 参考电压精度 (V_ref Tolerance)

TL431通常有不同的精度等级，例如0.5%、1%或2%。更高的精度意味着更小的输出电压误差。在对稳压精度要求较高的应用中，应选择更高精度的TL431版本。

4. 温度系数 (Temperature Coefficient)

TL431的参考电压(V_ref)会随温度变化而略有漂移。温度系数表示这种漂移的程度，通常以ppm/°C（百万分之几每摄氏度）表示。在宽温度范围工作的应用中，应考虑其温度系数对稳压精度的影响。

5. 稳定性补偿

TL431是一个高增益器件，在某些应用中，为了防止振荡，可能需要在REF引脚或阴极连接补偿电容。特别是在与输出电容较大的负载连接时，或者在开关电源反馈回路中，合理的补偿至关重要。补偿电容的选择通常需要根据具体电路的频率响应和稳定性要求进行调整。例如，在分流稳压器配置中，一个与R1并联的小电容（如10nF-100nF）可以改善瞬态响应和稳定性。

6. 分压电阻的选择

• 精度：选择高精度的分压电阻（如1%或0.1%）可以提高输出电压的精度。

• 温度漂移：电阻的温度系数也应考虑，以减少温度对输出电压的影响。

• 功耗：电阻在承受电压时会有功耗，需要选择足够功率额定值的电阻。

• 分流电流：分压电阻的总电流应该比流过REF引脚的偏置电流大得多，以确保REF引脚电流对分压比的影响可以忽略不计。通常，流过R1和R2的分压电流应至少是REF引脚偏置电流的100倍。

7. ESR和ESL对稳定性的影响

在开关电源反馈回路中，输出电容的等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）会影响TL431的反馈环路稳定性。低ESR电容通常有助于提高稳定性。

8. 噪声抑制

在对噪声敏感的应用中，可以在TL431的REF引脚和地之间放置一个小电容（例如0.1μF），以旁路高频噪声。

结论

TL431作为一款功能强大的精密可调分流稳压器，其应用范围远超简单的齐纳二极管。从构建高精度稳压电源到作为开关电源的关键反馈元件，再到各种电压监测和保护电路，TL431以其卓越的性能和成本效益，成为了电子工程师工具箱中不可或缺的器件。深入理解其引脚功能、工作原理以及设计注意事项，是充分发挥TL431潜力的关键。通过精心的电路设计和参数选择，TL431能够帮助我们实现高效、稳定、高精度的电源管理解决方案。