调节低电压隔离电源的方法

作者：Brian King
多年来我设计了很多隔离式电源。正如您可能猜想的那样，大部分这些电源往往都有 3.3V 或更高的输出电压。当要我设计一款 2.5V 隔离式电源时，我最初的想法是根本不可能使用 TL431 实现这种低输出电压。想到必须生成更高的辅助输出电压只用于为误差放大器、参考和光电耦合器供电时，我感到有些退缩。经过一番思考，琢磨如何更好地利用现有电压后，我想出了添加一个 PNP 型晶体管的简单解决方案。要理解问题与解决方案，首先要清楚 TL431 的内部情况以及如何用它来调节电源。
TL431 并联稳压器也许是隔离式开关电源中最常见的 IC。它可为精确调节输出电压提供低成本的简单方法。图 1 是 TL431 以及用来调节隔离式电源输出的典型应用电路的方框图。TL431 在单个三端器件中整合了一个内部参考和一个放大器。R3 及 R5 电阻分压器与 TL431 的内部参考电压可设置输出电压。在 TL431 内部，误差放大器的输出可驱动晶体管的基极。该晶体管的集电极不仅可连接至 TL431 的 K（阴极）引脚，而且还可驱动光电耦合器，其可将整个隔离边界的误差信号发送至主控制器。反馈环路的频率响应由安放在 TL431 阴极引脚与 REF 引脚之间的补偿组件形成。


在转换器输出电压小于 5V 时，该电路的运行就会受到限制。阴极的最小推荐工作电压等于参考电压，对于标准版 TL431 而言是 2.5V。光电耦合器内部的光电发射器具有大约 1.5V 的最大正向压降。如果输出电压小于 4V，光电耦合器可能就没有得到充分的正向偏置。此外，还需要为偏压电阻器 (R1) 的压降分配额外的电压容限。这可将标准 TL431 的实际使用限制在输出超过 4.5V 的电压下。也有较低电压版本的 TL431，例如可提供 1.25V 参考电压的 TLV431。这可为采用 3.3V 输出驱动光电耦合器提供足够的预留空间。要使用该部件调节较低的输出电压，需要对标准电路进行修改。
如图 2 所示，只需添加一个 PNP 型晶体管，低电压 TLV431 就可用来调节小于 3.3V 的输出电压。在该电路中，TLV431 的阴极可驱动 PNP 型晶体管的基极，其可配置为发射极跟随器。这有助于光电耦合器在 PNP 型晶体管集电极与接地之间移动，这里可为光电发射器的正向压降提供足够的预留空间。由于最低阴极电压为 1.25V，典型基极-发射极电压为 0.7V，因此 Q1 发射极的最低电压约为 1.95V。这可为整个支持 2.5V 输出电压的偏压电阻器提供超过 0.5V 的压降。
这个简单的修改可扩大 TLV431 的电路调节范围，能包含 2.5V 电轨。但对于低于 2.5V 的输出电压，标准稳压电路所需的修改就会变得越来越复杂。最终，有必要生成一个只用于为 TLV431 供电和驱动光电耦合器的更高电压辅助电源轨。


查看 PowerLab 中的以下设计，了解更多采用本博客所述 TL431 和 TLV431 的实例电源……

• PMP6886 — 3 类 36V ~ 72V 输入、2.5V/5A 有源钳位正向，1/16 砖型
• PMP8790 — 有源钳位正向，四分之一砖型（18Vdc-60Vdc 输入、3.3V/12A）
• PMP9203 — 通用 AC 输入、5V/2A USB 固定频率工作适配器