一种基于TL431的线性精密稳压电源的设计方案

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。

TL431的内部结构和功能

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、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。

并联稳压电路设计

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。

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。

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。

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。