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關於TL431的一些原理

2024-01-10科學

TL431穩壓三極管工作在2.5V-36V,是個可調的精密並聯穩壓器,價格便宜,作為微控制器MCU基準穩壓的優先選擇,有時可構成電壓比較器或者電源電壓監視器、延時電路、精密恒流源。

我開發的一些開發板中例如Atmega開發板,或者STM32開發板都采用TL431穩壓源作為基準,用的最多的是SOT-23封裝的,TL431還有一些像DIP-8、TO-92、SO-8封裝,如下圖:

腳位分別為:陰極(K)、陽極(A)、參考端(Ref)。看到上圖的等效電路圖,一般A接地,K經過限流電阻接電源正極,Ref為電源輸出端,NC為空腳。

下面這個電路是我經常用的電路,在我開發的電路板中大家可以看到我使用最多的就是下面這個電路:

Guava的電路圖

上圖的電路我喜歡把基準擴充套件出來,可以把電路板的基準電壓做成可以選擇的,這樣方便後面開發,如果是做產品的朋友,建議不這麽做,還是直接做成固定的。

由TL431的等效電路圖可以看到,Uref是一個內部的2.5V 基準源,接在運算放大器的反相輸入端。由運算放大器的特性可知,只有當REF 端(同相端)的電壓非常接近Uref(2.5V)時,晶體管中才會有一個穩定的非飽和電流透過,而且隨著REF 端電壓的微小變化,透過晶體管VT的電流將從1 到100mA 變化。當然,該圖絕不是TL431 的實際內部結構,所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設計、分析套用TL431 的電路時,這個模組圖對開啟思路,理解電路都是很有幫助的。

前面提到TL431 的內部含有一個2.5V 的基準電壓,所以當在REF 端引入輸出修正電壓時,器件可以透過從陰極到陽極很寬範圍的分流,控制輸出電壓。如下圖︰

當R1 和R2 的阻值確定時,兩者對Vo 的分壓引入修正電壓,若Vo 增大,修正電壓量也增大,TL431 的分流也就增加,從而又導致Vo 下降。顯見,這個深度的負回授電路必然在Uref等於基準電壓處穩定,此時剛好會符合Datasheet中︰Vo=(1+R1/R2)Vref。

我參考一下一些朋友的圖片給大家剖析一下TL431芯片的NPN晶體管及其矽結構。

TL431芯片中高電流輸出晶體管的特寫:

TL431芯片中PNP晶體管的結構:

TL431中的電阻:

TL431中的trimming fuse:

TL431芯片中的結電容,帶有交叉的PN結:

TL431中的電容器:

TL431芯片采用逆向工程設計:

TL431的內部原理圖:

TL431封裝:

透過顯微鏡拍攝的TL431-DIE: