本帖最后由 lapeno 于 2013-12-31 19:56 编辑
不，不，不！亲，是想让你稳个压！
在电子产品设计中，往往需要在输入电压，负载，环境温度，电路参数等发生变化时，仍要求输出电压可以保持在一个稳定的状态，这就需要稳压电路。
我们的亲（女主角）是TL431，TL431是一款电压基准芯片，TI的官方命名为可调节精密并联稳压器，我们请她来吻压！
TL431的详细资料可以到TI的官方去下载，我在附件里放了一份数据手册，以方便你快速的参考。我们可以先简单的了解一下她，TL431输出的可调电压范围为Vref(即2.5V左右)到36V，灌电流的范围为1mA到100mA，远远观去，她的外貌是酱紫的：
ANODE是她的阳极（正极），REF是参考，CATHODE是她的阴部，错！是阴极（负极），您别多想哈。
走近一点，仔细看：
可以看到，TL431可看作是由误差放大器、基准Vref、三极管以及一个二极管组成的。我们一般人呢，也就只能这么近的看她了。如果想再近一点，想看的再多一点，您恐怕得掏钱了……好吧，还是让你看一眼吧：
看到了吧，满意吗?
TL431可以提供的服务就是稳压，我们问问她是怎么吻的。请参看Figure 2,也就是我们一般人可以看到的她的样子：
误差放大器反相输入端接VRef，VRef的值由于生产工艺的限制，各个器件略有差异，范围为2.440V到2.550V，典型值为2.495V。同相输入端接REF，这样当REF的值大于VRef值时，放大器的输出端就输出高电平；当REF的值小于VRef时，放大器的输出端就输出低电压。高电平（或者说高一些的电平）使其后的三极管导通（或者说导通的多一些），三极管的等效电阻就小一些，三极管集电极的压降就会小一些；低电平（或者说低一些的电平）使其后的三极管截止（或者说导通的少一些），三极管的等效电阻就大一些，三极管集电极的压降就大一些。到此，我们缕一下：REF高时，会使TL431两端压降变小；REF低时，会使TL431两端的压降变大。如果将TL431两端的压降反馈给REF，而REF又控制着TL431两端的压降，这便可以形成负反馈回路，从而使TL431两端的电压达到一个动态的平衡，也就是稳压了。
以上便是TL431可以稳压的基本原理，下面我们看一下TL431几种常见的吻法。
1. REF端接阴极。TL431的第一个典型应用，如图所示：
这种吻法，输出电压VKA等于多少呢？答案是VRef，为什么呢？还是要参看Figure 2,然后结合上面她的稳压原理来分析。我们要假设电路工作正常，也就是说Input要高于VRef(2.5V左右)，原因是TL431两端最低能稳到VRef,如果Input比VRef还低，那么差的那些电压由谁提供呢？不考虑负载，也就是负载开路的情况下，TL431与所串电阻R分压。当接通电源Input的一瞬间，VKA等于Input，同时REF也等于Input，Input大于VRef，REF也就大于VRef，运放输出高，三极管等效电阻变小，从而TL431两端的压降变小，即VKA变小。变小到什么时候呢？当VKA小于VRef，即REF小于VRef时，又会使TL431两端的压降变大，因此动态平衡的点就是VKA等于VRef。
我们可以通过Multisim进行仿真。原理图如下：
电源我设置的是12.495V，目的是便于计算，串了一个1K的电阻，然后接TL431。在图中放了几个探针，放了一个示波器可以观察输出波形。
由图中的仿真结果可以看出输出电压VKA，即TL431两端的电压为2.49V，流过R1的电流是10mA。示波器的输出波形如下，可以看到输出电压是平稳的。
下面我们可以分析下电阻R1阻值的选取。由仿真结果可以知道，流过R1的电流是10mA，如何得来的呢？很简单，电源是12.495V，TL431两端电压是2.495V，那么R1两端电压自然就是10V，电流I = V / R = 10V / 1kΩ= 10mA。因为现在是负载开路，所以这10mA的电流全部流向了TL431。当然一部分是通过阴极（即三极管的集电极）流进去，一部分是通过REF端（即运放的同相输入端）流进去的。运放的输入电阻很高，所以流入REF端的电流很小，由仿真也可以看到只有2.08微安，远远小于10mA，因此可以忽略，这样就可以认为10mA的电流都流向了TL431的阴极。
当接通负载后，如下图所示仿真结果：
流过R1的电流不变仍为10mA，因为其两端电压不变，仍为10V。流过TL431的电流变为7.50mA，原因是R2与其分流，R2两端的电压等于2.495V，因此流过R2的电流为I = V / R= 2.495V / 1kΩ = 2.49mA，这样流过TL431的电流就是10mA –2.49mA = 7.51mA。
当负载R2阻值越小，流过R2的电流就越大，致使流过TL431的电流就越小，参考TL431的数据手册，其灌电流的范围是1mA至100mA，当流入TL431两端的电流小于1mA时，TL431可能就会工作不稳定。为使TL431两端电流不小于1mA，电路修改的方法便是更改R1的阻值，减小R1的阻值，因R1两端电压不变，流过R1的电流就会增大，这样流过TL431的电流就会增大，以此保证其最低灌电流为1mA。同理，若R1阻值太小，R2阻值太大，就有可能使TL431流过的电流大于100mA，导致TL431烧坏。因此，根据负载R2的阻值变化范围，合理的搭配R1便相当重要。
下面，再回过头来看看接通负载R2后，TL431仍能稳压的原因。原因很简单，接通R2后，TL431的REF端仍接在VKA端，TL431是仍然是在VRef等于REF时达到动态平衡，只是通过调整三极管的等效电阻，使其与R2并联后的电阻等于未接通R2时三极管的等效电阻，从而使TL431两端的电压仍然维持在VRef的水平。
2. 电阻分压式，VKA > VRef，TL431的第二种常见吻法，如图所示：
这种吻法，输出电压VKA =VRef * (1 + R1 / R2) + IRef * R1。我们分析下稳压原理。
由前面的分析我们可以知道，只有当REF端的电位与VRef端的电位相等时，TL431才会达到动态的平衡，我们就从这里开始入手。REF等于VRef，也就是R2两端电压为VRef，则流过R2的电流为I2 = VRef / R2。流过R1的电流则为I1 = I2 + IRef，R1两端的电压则为VR1 = I1 * R1。于是: VKA = VR1 + VRef = I1 * R1 + VRef = (I2 + IRef) * R1 + VRef = (VRef / R2 + IRef) * R1 + VRef = VRef * R1 / R2 + IRef * R1 + VRef = VRef * (1 + R1 / R2) + IRef * R1
通过以上的推导我们得出输出电压的公式。下面我们可以通过Multisim仿真一下。原理图如下：
验证结果，VKA =VRef * (1 + R3 / R4) + IRef * R3 = 2.495V * (1 + 10kΩ / 10kΩ) + 2.08uA * 10kΩ = 5.0108V。
下面我们同比例增大R3和R4，如下图所示进行仿真： 验证结果，VKA =VRef * (1 + R3 / R4) + IRef * R3 = 2.495V * (1 + 1000kΩ / 1000kΩ) + 2.08uA * 1000kΩ = 7.07V。
3. TL431做比较器。如下图所示：
输入电压Input若大于VRef，则TL431三极管导通， VO转出低电压，电压值为TL431的导通压降，约为1V；输入电压Input若小于VRef，则TL431三极管截止，VO输出高电压，电压值约为VI。
仿真如下：
信号源V2为偏置为2V，幅值为1V，频率为50Hz的信号。输出电压波形如下：
就到此吧，更多更复杂的应用请参看TL431的数据手册。因为只要懂得了TL431的稳压原理，你就可以游刃有余的分析所有你能遇到的电路！ TL431，吻的你爽吗？
Multisim仿真文件:
1. TL431稳压器仿真－REF接阴极.zip
(88.88 KB)
2. TL431稳压器仿真－电阻分压.zip
(167.95 KB)
3. TL431稳压器仿真－比较器.zip
(273.47 KB)
TL431数据手册：
tl431.pdf
(2.04 MB)
本文的PDF文档：
TL431可调节精密并联稳压器应用详解.pdf
(971.6 KB)
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