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关于TL431的一些原理

2024-01-10科学

TL431稳压三极管工作在2.5V-36V,是个可调的精密并联稳压器,价格便宜,作为单片机MCU基准稳压的优先选择,有时可构成电压比较器或者电源电压监视器、延时电路、精密恒流源。

我开发的一些开发板中例如Atmega开发板,或者STM32开发板都采用TL431稳压源作为基准,用的最多的是SOT-23封装的,TL431还有一些像DIP-8、TO-92、SO-8封装,如下图:

脚位分别为:阴极(K)、阳极(A)、参考端(Ref)。看到上图的等效电路图,一般A接地,K经过限流电阻接电源正极,Ref为电源输出端,NC为空脚。

下面这个电路是我经常用的电路,在我开发的电路板中大家可以看到我使用最多的就是下面这个电路:

Guava的电路图

上图的电路我喜欢把基准扩展出来,可以把电路板的基准电压做成可以选择的,这样方便后面开发,如果是做产品的朋友,建议不这么做,还是直接做成固定的。

由TL431的等效电路图可以看到,Uref是一个内部的2.5V 基准源,接在运算放大器的反相输入端。由运算放大器的特性可知,只有当REF 端(同相端)的电压非常接近Uref(2.5V)时,晶体管中才会有一个稳定的非饱和电流通过,而且随着REF 端电压的微小变化,通过晶体管VT的电流将从1 到100mA 变化。当然,该图绝不是TL431 的实际内部结构,所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431 的电路时,这个模块图对开启思路,理解电路都是很有帮助的。

前面提到TL431 的内部含有一个2.5V 的基准电压,所以当在REF 端引入输出修正电压时,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。如下图︰

当R1 和R2 的阻值确定时,两者对Vo 的分压引入修正电压,若Vo 增大,修正电压量也增大,TL431 的分流也就增加,从而又导致Vo 下降。显见,这个深度的负回授电路必然在Uref等于基准电压处稳定,此时刚好会符合Datasheet中︰Vo=(1+R1/R2)Vref。

我参考一下一些朋友的图片给大家剖析一下TL431芯片的NPN晶体管及其硅结构。

TL431芯片中高电流输出晶体管的特写:

TL431芯片中PNP晶体管的结构:

TL431中的电阻:

TL431中的trimming fuse:

TL431芯片中的结电容,带有交叉的PN结:

TL431中的电容器:

TL431芯片采用逆向工程设计:

TL431的内部原理图:

TL431封装:

通过显微镜拍摄的TL431-DIE: