基于TL431的线性精密稳压电源的设计方案

电源

　　摘要：本文根据恒压供电传感器、变送器的需要，针对温度漂移小，输入宽电压及大电流负载的问题，鉴于常用单端稳压芯片TL431内部结构、工作原理和主要特点，提出了一种TL431的线性精密稳压电源的设计方案，通过测试结果分析本方案所设计的可调式精密稳压电源实现了大功率、宽电压、低温漂的功能，具有很强的使用性能。
　　1.引言
　　TL431是一个有良好热稳定性能的三端可调精密电压基准集成芯片，具有体积小、价格低廉、性能优良等特点：它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从参考电压（2.5V）到36V范围内的任何值，典型动态阻抗仅为0.2Ω，电压参考误差为±0.4%,负载电流能力从1.0mA到100mA,温度漂移低，输出噪声电压低等。基于以上特点，不仅可以用于恒流源电路、电压比较器电路、电压监视器电路、过压保护电路等电路中、还广泛应用于线性稳压电源、开关稳压电源等直流稳压电源电路中，本文对TL431在线性稳压电源中的并联和串联型两种电源进行了详细的介绍。
　　2.TL431的内部结构和功能
　　2.1 TL431的符号
　　该器件的符号如图1,三个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF），参考电压为2.5V.

　　2.2 TL431的内部电路图
　　由内部电路图图2可以看出，它由多极放大电路、偏置电路、补偿和保护电路组成，其中晶体管V1构成输入极，V3、V4、V5构成稳压基准，V7和V8组成的镜像恒流源与V6、V9构成差分放大器作中间级，V10、V11形成复合管，构成输出，其它一些电阻、电容、二级管分别起偏置、补偿和保护作用，在原理上它是一个单端输入、单端输出直流放大器。

　　然而其等效功能示意图如图3所示，由一个2.5V的精密基准电压源、一个电压比较器和一输出开关管等组成，参考端的输出电压与精密基准电压源Vref相比较，当参考端电压超过2.5V时，TL431立即导通。因为R端控制电压误差为±1%,所以参考端能精确地控制TL431的导通与截止。

　　3.并联稳压电路设计
　　3.1 基本并联稳压电路原理
　　TL431内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在Vref端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图4所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对VO的分压引入反馈，若增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致VO下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在等于基准电压处稳定，此时VO=（1+R1/R2）Vref.选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，VO=5V.若使R1短路，R2开路，即把参考端与阴极端短接，此时则有输出电压VO=2.5V（参考端电压），最适合用于数字电压表和模数转换器或其它电路中作基准电压源。

　　需要注意的是，和在选择电阻R时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA,R1和R2要选择精度为1%的同类电阻，才能保证基准电源的长期稳定性。
　　3.2 并联扩流稳压电路
　　在多种应用电路中，实际上是将图5为在图4的基础上将电路稍加改进，采用三极管扩流，组成大电流基准电压源，且图5中的晶体管可根据负载电流的大小选用不同功率的晶体管，这时限流电阻R也要相应增加其功率。

　　并联稳压电路适用于各种传感器、变送器、和仪表各种A/D转换器中，图6就是在电偶变送器中的应用。

　　4.串联扩流稳压电路
　　TL431除了可使用在并联稳压电路中，图4和图5中的限流电阻R的功耗就要随着输入电压的不同而功率发生变化，需用功率大的限流电阻，否则就会因电流过大而损坏。

　　采用串联行的接法，如图7,解决了上述问题。将流经限流电阻R电流的分流一部分，用两个NPN的三极管V1和V2,通过NPN+NPN的同极性接法够成NPN型达林顿管，放大倍数是V1和V2的放大倍数的乘积。这样集电极不仅分流了图5电阻R承受的大部分电流，解决了所需大功率电阻的问题，而且因达林顿管的电流放大能力增强，使TL431带载能力增强，不用大功率三极管就可接大电流负载。

　　实际应用中，为差动变压器式位移传感器LVDT稳压电源时，当负载电流为50mA时，流经R的电流仅为1mA,流过达林顿集电极的电路为49mA,电阻R采用小功率表贴电阻就能满足需要，实现恒压功能。而且在宽电源输入下，输出变化量小。如表1,测试条件为R1=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，R=3KΩ，负载电流50mA,TL431选用SOT-89封装，型号为TL431QPK,宽电压供电的情况下仅变化1mV.如果在并联电路中使用，替代图5中所示电路，效果更好。

　　图6所示电路具有良好的热稳定性。由于TL431的温度漂移低，0℃~40℃为6mV,-40℃~85℃和-40℃~125℃为14mV,所以输出电压的温度特性要比普通恒压源好的多，如果R1和R2选用温度漂移系数低的电阻，恒压电路的整体温度漂移也很小，在应用中无需附加温度补偿电路。实际应用中，R1=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，从型号TL431QPK,SOT-89封装50个芯片中随机抽取3支，用图6所示电路作为差动变压器式位移传感器的稳压电路，温区范围-40℃~125℃，温漂测量如表2所示，仅有几个到十几毫伏，均符合所给指标。

　　可见串联电路提高了稳定精度，降低了TL431的功耗，减少了TL431因过热而损坏的机率，上述电路不但可以作为工业级的传感器稳压基准，而且可以为宽温区低温漂的军品级的产品精密稳压电源基准，是一款实用的精密线性稳压电路。
　　5.结语
　　本文根据TL431三端可调精密内部结构及特点，阐述了并联稳压电路和串联稳压电路的基本构成和性能。提出了一种TL431的线性精密稳压电源的设计方案。后经过大量实验和长期应用证明本方案所设计的基于TL431的可调式精密稳压电源实现了大功率、宽电压、低温漂的功能，性价比高具有很强的使用性能。（作者：彭春文，袁克峰，蒋伯华，董清波，张建，胡竞）

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