TL431在開關(guān)電源反饋回路中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

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隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，開關(guān)電源的應(yīng)用場合不斷拓寬。同時(shí)，對開關(guān)電源的要求也不斷提高。高功率密度、小體積、低價(jià)格成為開關(guān)電源行業(yè)的趨勢。在半導(dǎo)體技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，通過選用更加優(yōu)秀性能的開關(guān)管，能夠在同樣的體積空間下輸出更高的功率，從而達(dá)到優(yōu)化開關(guān)電源的功率的目的。對于控制回路而言，使用TL431來代替由分立的基準(zhǔn)電壓和運(yùn)放構(gòu)建的具有反饋功能控制回路，文中首先對TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比較了TL431和由通用運(yùn)放搭建的反饋回路，然后對TL431的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行分析和計(jì)算，最后計(jì)算了由TL431構(gòu)成的補(bǔ)償環(huán)路。

1.TL431簡介

1.1內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Texas Instrument公司開發(fā)的TL431是一種穩(wěn)定性好、三端可調(diào)并聯(lián)穩(wěn)壓器，常用作可調(diào)壓的電壓基準(zhǔn)。其外部結(jié)構(gòu)包含陰極、陽極和參考電壓三個(gè)引腳;內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在TL431的大部分應(yīng)用中，陽極接地，陰極電流的一部分會流過結(jié)構(gòu)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(gòu)成2.5V的參考電壓。TL431的中間級結(jié)構(gòu)相當(dāng)于差分放大電路，輸出級為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，由此TL431具有內(nèi)部集成電壓基準(zhǔn)以及運(yùn)放電路的功能。

圖1 TL431內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

1.2工作原理

根據(jù)其功能，TL431可以簡化由內(nèi)部集成2.5V的基準(zhǔn)電壓、差分運(yùn)放和集電極開路的三極管構(gòu)成。TL431的簡化圖如圖2所示。當(dāng)參考電壓引腳上的電壓低于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.5V時(shí)，運(yùn)放輸出為低電平，三極管關(guān)斷，忽略微小的漏電流，此時(shí)沒有電流流過TL431;當(dāng)參考電壓引腳上的電壓高于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，運(yùn)放輸出為高電平，三極管導(dǎo)通從陰極抽取電流并迅速進(jìn)入飽和區(qū);當(dāng)參考電壓引腳上的電壓非常接近基準(zhǔn)電壓時(shí)，三極管才工作在放大區(qū)，從陰極抽取恒定的電流。通過分析可知，在開關(guān)電源中分立的基準(zhǔn)電壓加運(yùn)放做反饋的結(jié)構(gòu)可以被TL431很好地替代。

圖2 TL431功能結(jié)構(gòu)

2.TL431在反饋回路中的應(yīng)用

2.1由普通運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)構(gòu)成的反饋回路

一般原副邊隔離場合下的開關(guān)電源，其功率級的隔離是通過變壓器來實(shí)現(xiàn)。反饋信號的隔離主要通過光耦來實(shí)現(xiàn)。運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)以及光耦構(gòu)成的反饋回路，如圖3所示。

圖3 運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)構(gòu)成的反饋回路

輸出電壓(Vo)通過電阻分壓后，與參考電壓(Vref)比較。運(yùn)放輸出誤差電壓信號(Verr)，從而控制流過光耦LED的電流Ie。通過光耦在原邊產(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(nèi)部的比較器進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制開關(guān)管的占空比信號，從而使輸出電壓在不同負(fù)載不同輸入電壓的情況下都能穩(wěn)定在設(shè)置好的電壓范圍內(nèi)。

2.2由TL431構(gòu)成的反饋回路

TL431內(nèi)部集成了電壓基準(zhǔn)和差分運(yùn)放，可以在反饋回路中用TL431替代分立的電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放。但是在實(shí)際運(yùn)用中，TL431跟分立的電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放的工作原理并不完全相同，需要作進(jìn)一步的分析和研究。由TL431構(gòu)成的反饋回路如圖4所示。

圖4 TL431構(gòu)成的反饋回路

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

成比例的電流Ic。

在工程中用光耦的電流傳輸比(CTR)來定義該比值：

原邊的反饋電壓VFB：

其中，VDD是原邊的輔助電源電壓，副邊TL431的陰極電壓：

其中，Vcc是副邊的輔助電源電壓，Vd是光耦發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降。

VFB是反饋環(huán)路通過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(nèi)部的斜坡信號(Vramp)進(jìn)行比較來輸出驅(qū)動信號的占空比(du-tyc)cle)，使輸出電壓在不同輸人和負(fù)載條件下能夠穩(wěn)壓，如圖5所示。

圖5 反饋誤差信號和占空比

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

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

3.TL431反饋的靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算和設(shè)置

TL431直流等效模型可以等效為一個(gè)電壓控制電壓源，如圖6所示。

圖6 TL431直流等效模型

計(jì)算TL431的開環(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(dǎo)。

通過Slmetrix仿真計(jì)算出TL431的Ref電壓與陰極電流關(guān)系，如圖7所示。

圖7 TL431基準(zhǔn)電壓與陰極電流關(guān)系

從上圖可以看出，在陰極電流小于0.5mA時(shí)，TL431的跨導(dǎo)很小。在經(jīng)過陰極電流0.5mA的拐點(diǎn)之后，跨導(dǎo)gm值大概為4A/V。假設(shè)一般情況下，取Rled為0.5k。

將Rled和gm值代人式(5)，得到TL431開環(huán)電壓增益Gain=66dB，此增益能夠保證控制系統(tǒng)的輸出電壓精度滿足工業(yè)系統(tǒng)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(shè)計(jì)過程中，某些PWM控制芯片內(nèi)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引腳通過一個(gè)鏡像電流源把光耦電流映射到內(nèi)部，映射電流再通過內(nèi)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，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 LM5035芯片的COMP引腳及內(nèi)部比較器

流過光耦的電流：

此時(shí)需要為TL431設(shè)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(shè)置得過大，太大的偏置電流會增加TL431自身的損耗，也會影響到反饋環(huán)路靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置。

參考圖4，當(dāng)光耦電流Ic為零時(shí)，即：

這時(shí)，反饋電壓VFB達(dá)到最大值，相應(yīng)的控制芯片會輸出最大占空比。

當(dāng)光耦的三極管飽和時(shí)，光耦電流Ic達(dá)到最大值，此時(shí)控制芯片輸出最小占空比。

當(dāng)原邊光耦電流Ic達(dá)到最大值時(shí)，相應(yīng)的副邊光耦的發(fā)光二極管中電流Ie在CTR為最小值時(shí)到達(dá)最大，如式(9)：

TL431在工作時(shí)陰極電壓需要大于其基準(zhǔn)點(diǎn)電壓(2.5V)，同時(shí)要小于36V。該值可由下式計(jì)算得到：

　4.TL431小信號環(huán)路設(shè)計(jì)

設(shè)置好靜態(tài)工作點(diǎn)之后，就需要對電源系統(tǒng)的反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖4所示，獨(dú)立輔助繞組供電的二型反饋補(bǔ)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(dāng)于在系統(tǒng)里引入了一個(gè)極點(diǎn)。反饋傳函為：

零點(diǎn)頻率：

開環(huán)增益：

如果直接用輸出Vo對光耦供電，整體的反饋環(huán)路有所不同，反饋傳遞函數(shù)為：

其中兩個(gè)極點(diǎn)的頻率跟式的計(jì)算結(jié)果一樣，而零點(diǎn)的位置更加靠前。零點(diǎn)頻率：

零點(diǎn)fz比極點(diǎn)fp0更低，系統(tǒng)的帶寬會更寬，對于輸出變化的響應(yīng)會更快。但是相位裕量較之前一種供電方式會低。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)對系統(tǒng)的估計(jì)要求來選擇更優(yōu)的環(huán)路補(bǔ)償方式。

開關(guān)電源二型系統(tǒng)補(bǔ)償環(huán)路仿真結(jié)果如圖9所示。從結(jié)果可以看出用TL431和運(yùn)放構(gòu)成的反饋回路的頻率響應(yīng)除了在低頻段相位裕量有微小差別，在其它頻率段表現(xiàn)出的性能幾乎一致。

圖9 TL431和運(yùn)放構(gòu)成反饋回路的頻率響應(yīng)仿真

結(jié)語　　

本文總結(jié)了TL431在開關(guān)電源反饋回路中的應(yīng)用，并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證TL431在反饋回路中替代分立的電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放，從而達(dá)到在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中節(jié)省空間，降低成本的目的。同時(shí)TL431工作時(shí)需要的電流也小于分立的電壓基準(zhǔn)和運(yùn)放工作時(shí)的工作電流，有利于減小開關(guān)電源在空載運(yùn)行時(shí)的損耗。

　　審核編輯：湯梓紅