TL431在開(kāi)關(guān)電源反饋回路中的應用設計

　隨著(zhù)半導體行業(yè)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的應用場(chǎng)合不斷拓寬。同時(shí)，對開(kāi)關(guān)電源的要求也不斷提高。高功率密度、小體積、低價(jià)格成為開(kāi)關(guān)電源行業(yè)的趨勢。在半導體技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，通過(guò)選用更加優(yōu)秀性能的開(kāi)關(guān)管，能夠在同樣的體積空間下輸出更高的功率，從而達到優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的功率的目的。對于控制回路而言，使用TL431來(lái)代替由分立的基準電壓和運放構建的具有反饋功能控制回路，文中首先對TL431的內部結構進(jìn)行分析，比較了TL431和由通用運放搭建的反饋回路，然后對TL431的靜態(tài)工作點(diǎn)設置進(jìn)行分析和計算，最后計算了由TL431構成的補償環(huán)路。

　　1.TL431簡(jiǎn)介

　　1.1內部結構

　　Texas Instrument公司開(kāi)發(fā)的TL431是一種穩定性好、三端可調并聯(lián)穩壓器，常用作可調壓的電壓基準。其外部結構包含陰極、陽(yáng)極和參考電壓三個(gè)引腳;內部結構框圖如圖1所示，在TL431的大部分應用中，陽(yáng)極接地，陰極電流的一部分會(huì )流過(guò)結構框圖左下的鏡像電流源。該電流在電阻上產(chǎn)生的壓降再加上三極管基極B與發(fā)射極E的壓降共同構成2.5V的參考電壓。TL431的中間級結構相當于差分放大電路，輸出級為達林頓結構，由此TL431具有內部集成電壓基準以及運放電路的功能。

　隨著(zhù)半導體行業(yè)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的應用場(chǎng)合不斷拓寬。同時(shí)，對開(kāi)關(guān)電源的要求也不斷提高。高功率密度、小體積、低價(jià)格成為開(kāi)關(guān)電源行業(yè)的趨勢。在半導體技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，通過(guò)選用更加優(yōu)秀性能的開(kāi)關(guān)管，能夠在同樣的體積空間下輸出更高的功率，從而達到優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的功率的目的。對于控制回路而言，使用TL431來(lái)代替由分立的基準電壓和運放構建的具有反饋功能控制回路，文中首先對TL431的內部結構進(jìn)行分析，比較了TL431和由通用運放搭建的反饋回路，然后對TL431的靜態(tài)工作點(diǎn)設置進(jìn)行分析和計算，最后計算了由TL431構成的補償環(huán)路。

　　1.TL431簡(jiǎn)介

　　1.1內部結構

　　Texas Instrument公司開(kāi)發(fā)的TL431是一種穩定性好、三端可調并聯(lián)穩壓器，常用作可調壓的電壓基準。其外部結構包含陰極、陽(yáng)極和參考電壓三個(gè)引腳;內部結構框圖如圖1所示，在TL431的大部分應用中，陽(yáng)極接地，陰極電流的一部分會(huì )流過(guò)結構框圖左下的鏡像電流源。該電流在電阻上產(chǎn)生的壓降再加上三極管基極B與發(fā)射極E的壓降共同構成2.5V的參考電壓。TL431的中間級結構相當于差分放大電路，輸出級為達林頓結構，由此TL431具有內部集成電壓基準以及運放電路的功能。

　　2.TL431在反饋回路中的應用

　　2.1由普通運放和電壓基準構成的反饋回路

　　一般原副邊隔離場(chǎng)合下的開(kāi)關(guān)電源，其功率級的隔離是通過(guò)變壓器來(lái)實(shí)現。反饋信號的隔離主要通過(guò)光耦來(lái)實(shí)現。運放和電壓基準以及光耦構成的反饋回路。

　輸出電壓(Vo)通過(guò)電阻分壓后，與參考電壓(Vref)比較。運放輸出誤差電壓信號(Verr)，從而控制流過(guò)光耦LED的電流Ie。通過(guò)光耦在原邊產(chǎn)生電流Ic，由Ic在電阻Rc上產(chǎn)生反饋電壓VFB。反饋電壓再與控制芯片內部的比較器進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制開(kāi)關(guān)管的占空比信號，從而使輸出電壓在不同負載不同輸入電壓的情況下都能穩定在設置好的電壓范圍內。

　　2.2由TL431構成的反饋回路

　　TL431內部集成了電壓基準和差分運放，可以在反饋回路中用TL431替代分立的電壓基準和運放。但是在實(shí)際運用中，TL431跟分立的電壓基準和運放的工作原理并不相同，需要作進(jìn)一步的分析和研究。

　　輸出電壓通過(guò)電阻分壓連接到TL431的電壓基準引腳，當TL431電壓基準引腳電壓非常接近2.5V時(shí)，其內部的三級管工作在線(xiàn)性區，并從副邊的輔助電源VCC抽取一個(gè)恒定的電流Ie。流過(guò)發(fā)光二極管的電流Ie會(huì )在光敏三級管上感應出與Ie

　VFB是反饋環(huán)路通過(guò)光耦隔離之后傳遞到原邊控制芯片的誤差信號，該信號跟芯片內部的斜坡信號(Vramp)進(jìn)行比較來(lái)輸出驅動(dòng)信號的占空比(du-tyc)cle)，使輸出電壓在不同輸人和負載條件下能夠穩壓。

　　如果開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓(Vo)需要增大時(shí)，相應的就需要增大驅動(dòng)信號的占空比，從而反饋的誤差信號(VFB)需要相應的增大，此時(shí)副邊流過(guò)光耦發(fā)光二極管的電流Ie需要相應的減小。

　　可以看出，副邊反饋電流Ie跟輸出電壓密切相關(guān)。若使開(kāi)關(guān)電源能夠穩定工作，需對TL431反饋的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行計算和合理設置。

　　3.TL431反饋的靜態(tài)工作點(diǎn)的計算和設置

　　TL431直流等效模型可以等效為一個(gè)電壓控制電壓源，

　　計算TL431的開(kāi)環(huán)電壓增益，代人反饋環(huán)路中與發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻Rled。

　其中，gm是TL431的跨導。

　　通過(guò)Slmetrix仿真計算出TL431的Ref電壓與陰極電流關(guān)系

在陰極電流小于0.5mA時(shí)，TL431的跨導很小。在經(jīng)過(guò)陰極電流0.5mA的拐點(diǎn)之后，跨導gm值大概為4A/V。假設一般情況下，取Rled為0.5k。

　　將Rled和gm值代人式(5)，得到TL431開(kāi)環(huán)電壓增益Gain=66dB，此增益能夠保證控制系統的輸出電壓精度滿(mǎn)足工業(yè)系統的要求。因此在正常工作時(shí)，要保證TL431的陰極電流足夠大，一般情況下要求大于1mA。

　　但是在實(shí)際設計過(guò)程中，某些PWM控制芯片內部比較器所需電流小于1mA，比如TI公司的LM5k系列控制芯片，該芯片的Comp引腳通過(guò)一個(gè)鏡像電流源把光耦電流映射到內部，映射電流再通過(guò)內部的參考電壓5V與5k上拉電阻產(chǎn)生誤差信號與比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生占空比信號

　　流過(guò)光耦的電流：

　此時(shí)需要為T(mén)L431設置偏置電流，以保證在各種工作條件下都有足夠大于1mA的電流流入TL431陰極。普遍的做法是在光耦的發(fā)光二極管旁邊并一個(gè)阻值1k的電阻，如圖4中所示。光耦的發(fā)光二極管壓降大約為1V，所以與二極管并聯(lián)的1k電阻上會(huì )有1mA的偏置電流產(chǎn)生，以保證TL431有足夠的工作電流。同時(shí)，偏置電流也不能設置得過(guò)大，太大的偏置電流會(huì )增加TL431自身的損耗，也會(huì )影響到反饋環(huán)路靜態(tài)工作點(diǎn)的設置。

4.TL431小信號環(huán)路設計

　　設置好靜態(tài)工作點(diǎn)之后，就需要對電源系統的反饋環(huán)路進(jìn)行補償，以保證系統的穩定性。如圖4所示，獨立輔助繞組供電的二型反饋補償網(wǎng)絡(luò )，原邊光耦電容Copto是由于光耦傳輸高頻信號延時(shí)而產(chǎn)生的，相當于在系統里引入了一個(gè)極點(diǎn)。

　　零點(diǎn)fz比極點(diǎn)fp0更低，系統的帶寬會(huì )更寬，對于輸出變化的響應會(huì )更快。但是相位裕量較之前一種供電方式會(huì )低。在實(shí)際設計過(guò)程中需要根據對系統的估計要求來(lái)選擇更優(yōu)的環(huán)路補償方式。

　　開(kāi)關(guān)電源二型系統補償環(huán)路仿真結果。從結果可以看出用TL431和運放構成的反饋回路的頻率響應除了在低頻段相位裕量有微小差別，在其它頻率段表現出的性能幾乎一致。