TL431 中文詳細資料

　　TL431 是一款三端可調分流穩壓器，因其高精度、低成本、寬工作電壓范圍和靈活的應用方式，在電源管理、穩壓電路、過壓保護、恒流源等領域得到了廣泛應用。本資料將深入探討 TL431 的內部結構、工作原理、主要參數、典型應用電路及其設計考量，旨在為工程師和技術愛好者提供一份全面詳盡的中文參考資料。

　　1. TL431 概述

　　TL431 不僅僅是一個簡單的齊納二極管，它實際上是一個帶內基準源的精密可調分流穩壓器。其獨特之處在于其輸出電壓可以通過兩個外部電阻進行精確設置，而不僅僅是固定的擊穿電壓。這種可調性使其在需要精確電壓基準或穩壓輸出的場合具有極大的靈活性。TL431 的封裝形式多樣，包括 TO-92、SOT-23、SOP-8 等，以適應不同應用場景的空間和散熱需求。其內部集成了一個高增益運算放大器和精密電壓基準，確保了其在各種工作條件下的穩定性和準確性。

　　2. TL431 內部結構與工作原理

　　理解 TL431 的核心在于其內部結構和基于此結構的工作原理。TL431 內部主要由一個高精度電壓基準源、一個誤差放大器（通常是比較器）、一個輸出晶體管（通常是 NPN 型）以及相關的偏置電路組成。

　　2.1 內部結構詳解

　　電壓基準源 (Voltage Reference): TL431 內部集成了一個 2.5V 的精密電壓基準源。這個基準源是整個穩壓器精度的基礎，它決定了 TL431 能夠提供的最小穩定電壓。這個基準電壓是溫度補償的，這意味著它在不同溫度下都能保持相對穩定，從而保證了 TL431 在寬溫度范圍內的良好性能。

　　誤差放大器 (Error Amplifier): 誤差放大器是 TL431 的核心控制部分。它是一個高增益的運算放大器，其反相輸入端連接到內部的 2.5V 電壓基準源，同相輸入端則引出為外部可編程端 (REF)。這個放大器持續比較 REF 引腳的電壓與內部基準電壓。任何這兩個電壓之間的差異都會被放大，并用于控制輸出晶體管。

　　輸出晶體管 (Output Transistor): TL431 的輸出端 (陰極 K) 連接到一個 NPN 型晶體管的集電極。誤差放大器的輸出驅動這個晶體管的基極。當 REF 引腳的電壓低于內部基準電壓時，誤差放大器會減小其輸出，從而降低輸出晶體管的基極電流，使其導通程度降低，陰極電流減小，陰極電壓升高。反之，當 REF 引腳的電壓高于內部基準電壓時，誤差放大器會增大其輸出，從而增加輸出晶體管的基極電流，使其導通程度增強，陰極電流增大，陰極電壓降低。

　　偏置電路 (Biasing Circuit): 偏置電路為內部的電壓基準源和誤差放大器提供穩定的工作電流和電壓，確保它們在不同電源電壓下的正常運行。

　　2.2 工作原理

　　TL431 的工作原理可以概括為以下幾點：

　　比較與反饋： 當 TL431 連接到外部電路并有電流流過時，其陰極 (K) 和陽極 (A) 之間會建立一個電壓。通過外部電阻分壓網絡，一部分輸出電壓被反饋到 REF (參考) 引腳。

　　誤差檢測： 內部誤差放大器持續比較 REF 引腳上的電壓與內部 2.5V 精密基準電壓。

　　電流調節： 如果 REF 引腳上的電壓與 2.5V 基準電壓不相等，誤差放大器會產生一個誤差信號，這個信號會驅動內部的輸出晶體管。

　　當 REF 電壓高于 2.5V 時： 誤差放大器會增大輸出晶體管的導通程度，使其陰極-陽極之間的等效電阻減小，從而允許更大的電流從陰極流向陽極。這會有效地“下拉”陰極電壓，使其下降，直到 REF 引腳的電壓回到 2.5V。

　　當 REF 電壓低于 2.5V 時： 誤差放大器會減小輸出晶體管的導通程度，使其陰極-陽極之間的等效電阻增大，從而減小流過 TL431 的電流。這會使得陰極電壓上升，直到 REF 引腳的電壓再次回到 2.5V。

　　穩態平衡： 通過這種負反饋機制，TL431 能夠自動調整其自身的導通程度，使得 REF 引腳的電壓始終保持在 2.5V。由于 REF 引腳的電壓是由外部輸出電壓通過分壓網絡形成的，因此輸出電壓也因此被穩定在一個預設的值。

　　簡單來說，TL431 通過不斷調整流過自身的電流來維持其 REF 引腳電壓為 2.5V，從而實現對外部電路的精確穩壓。

　　3. TL431 主要參數

　　了解 TL431 的主要參數對于正確選用和設計電路至關重要。

　　3.1 電氣特性參數

　　參考電壓 (VREF): 這是 TL431 內部的精密基準電壓，典型值為 2.5V。它是決定輸出穩壓精度的關鍵參數。不同型號的 TL431 會有不同的 VREF 精度等級，例如 TL431A 和 TL431B 通常具有更高的精度。

　　輸出電壓范圍 (VKA): 指的是陰極 (K) 和陽極 (A) 之間的可調電壓范圍。對于 TL431，其最低可調電壓為 VREF (2.5V)，最高可達 36V (或某些型號的 40V)。

　　陰極電流范圍 (IK): TL431 正常工作所需的最小陰極電流和可承受的最大陰極電流。最小陰極電流 (Imin) 通常在 0.5mA 到 1mA 之間，低于此電流，TL431 可能無法正常穩壓。最大陰極電流 (Imax) 則根據具體型號和封裝而異，通常在 100mA 到 150mA 之間。

　　溫度系數 (Temperature Coefficient): 表示參考電壓隨溫度變化的程度，通常以 ppm/°C (百萬分之一每攝氏度) 表示。較低的溫度系數意味著更好的溫度穩定性。

　　輸出阻抗 (Output Impedance): TL431 在穩壓狀態下的等效輸出阻抗。理想情況下，輸出阻抗越小，穩壓性能越好。

　　電源抑制比 (PSRR): 表示 TL431 抑制電源電壓變化對其輸出電壓影響的能力。

　　最小工作電壓 (Minimum Operating Voltage): TL431 開始正常工作的最小陰極-陽極電壓，通常略高于 VREF。

　　關斷電流 (Off-state Current): 當 TL431 處于非導通狀態（例如，陰極電壓低于 VREF）時，流過陰極的漏電流，通常非常小。

　　3.2 絕對最大額定值

　　絕對最大額定值是器件能夠承受而不發生永久性損壞的極限值。在設計中必須嚴格遵守這些值，否則可能導致器件失效。

　　陰極-陽極電壓 (VKA): 允許施加在陰極和陽極之間的最大電壓。

　　陰極電流 (IK): 允許流過陰極的最大電流。

　　功耗 (PD): 器件能夠耗散的最大功率。功耗受環境溫度和封裝形式影響，通常需要考慮散熱問題。

　　結溫 (TJ): 器件內部半導體的最高允許溫度。

　　存儲溫度 (Tstg): 器件在非工作狀態下可以存儲的溫度范圍。

　　4. TL431 典型應用電路

　　TL431 的應用非常廣泛，其靈活性使其能夠勝任多種功能。

　　4.1 精密電壓基準源

　　這是 TL431 最基本也是最直接的應用。

　　電路圖: 將 REF 引腳直接連接到陰極 (K)。

　　工作原理: 當 REF 引腳直接連接到陰極時，TL431 會自動調節陰極-陽極之間的電壓，使其陰極電壓穩定在 2.5V (VREF)。此時，TL431 作為一個高精度的 2.5V 穩壓器使用。一個限流電阻串聯在電源和陰極之間，以確保 TL431 在其正常工作電流范圍內。

　　應用場景: 為微控制器、傳感器或其他需要穩定電壓的電路提供精確的 2.5V 基準電壓。

　　4.2 可調分流穩壓器

　　這是 TL431 最常見的應用方式，也是其名稱的由來。

　　電路圖: 通過兩個外部電阻 R1 和 R2 組成一個分壓網絡，將輸出電壓反饋到 REF 引腳。

　　R1 接在陰極 (K) 和 REF (參考) 引腳之間。

　　R2 接在 REF (參考) 引腳和陽極 (A) 之間。

　　限流電阻 RS (或 R_supply) 串聯在輸入電源和 TL431 陰極之間。

　　工作原理: 根據分壓原理，當 REF 引腳的電壓穩定在 VREF (2.5V) 時，有以下關系： VREF=VOUT×R1+R2R2 因此，輸出電壓 VOUT 可以表示為： VOUT=VREF×(1+R2R1) 通過選擇合適的 R1 和 R2 值，就可以將輸出電壓 VOUT 精確地設置在 2.5V 到 36V 之間的任何值。限流電阻 RS 用于限制通過 TL431 的電流，并根據輸入電壓和輸出電壓確定其值。

　　應用場景: 線性穩壓電源、DC-DC 轉換器反饋回路、可調電壓源、電池充電器等。

　　4.3 精密恒流源

　　TL431 也可以用于構建精密恒流源，這在 LED 驅動、電池充電等應用中非常有用。

　　電路圖: 將一個采樣電阻 R_sense 串聯在負載回路中，TL431 的 REF 引腳連接到采樣電阻的一端，其陽極連接到地 (或負載的另一端)。

　　工作原理: 當電流流過采樣電阻 R_sense 時，會在其兩端產生一個電壓降。這個電壓降通過 TL431 的 REF 引腳反饋。當采樣電阻兩端的電壓降達到 2.5V (VREF) 時，TL431 會導通，并開始調節電流。通過調節 R_sense 的值，可以控制流過負載的電流。ILOAD=RsenseVREF=Rsense2.5V 一個 PNP 或 NPN 晶體管通常與 TL431 配合使用，以提供所需的較大電流。

　　應用場景: 大功率 LED 驅動、電池恒流充電器、精密電流源。

　　4.4 過壓保護電路

　　TL431 可以作為電壓檢測器，實現精確的過壓保護。

　　電路圖: 類似于可調分流穩壓器，通過 R1 和 R2 設置一個閾值電壓。當輸入電壓超過該閾值時，TL431 導通。

　　工作原理: 當輸入電壓升高到某個設定值時，通過 R1 和 R2 分壓后，REF 引腳的電壓達到 2.5V。此時，TL431 迅速導通，其陰極電壓驟降。這個狀態變化可以觸發一個繼電器或驅動一個晶閘管 (SCR) 來切斷電源，從而保護后端電路免受過壓損壞。

　　應用場景: 電源保護、浪涌保護、電池過充保護。

　　4.5 開關電源反饋回路

　　在隔離型開關電源中，TL431 經常與光耦配合使用，構成反饋回路，以實現精確的輸出電壓調節。

　　電路圖: TL431 位于副邊，通過分壓電阻檢測輸出電壓。TL431 的陰極連接光耦的原邊發光二極管，其陽極接地。

　　工作原理: 當輸出電壓偏離設定值時，TL431 會調整流過光耦發光二極管的電流，從而改變光耦的導通程度。光耦的接收端位于原邊，將反饋信號傳遞給 PWM 控制器，PWM 控制器再調整開關管的占空比，最終使輸出電壓穩定在目標值。TL431 的精密穩壓特性保證了輸出電壓的精確控制。

　　應用場景: AC-DC 開關電源、DC-DC 轉換器、反激式、正激式電源。

　　5. TL431 應用設計考量

　　在實際應用中，需要考慮 TL431 的一些關鍵設計因素，以確保電路的穩定性和性能。

　　5.1 最小工作電流 (Imin)

　　TL431 需要一個最小陰極電流 (I_K_min) 才能正常工作并提供穩定的參考電壓。這個值通常在數據手冊中給出，一般在 0.5mA 到 1mA 之間。如果流過 TL431 的電流低于這個最小值，其穩壓特性將變差，輸出電壓可能不穩定。因此，在設計電阻分壓網絡和限流電阻時，需要確保在最壞情況下（例如，輸出負載最輕時），流過 TL431 的電流仍然大于 I_K_min。

　　5.2 補償電容 (Compensation Capacitor)

　　TL431 本身是一個高增益的放大器，在某些應用中，特別是在開關電源反饋回路中，如果反饋回路的相位裕度不足，可能會導致振蕩。為了避免這種情況，通常需要在 REF 引腳和陰極之間并聯一個補償電容 (C_comp)。這個電容的作用是引入一個極點，從而降低高頻增益，提高系統的穩定性。電容的數值通常在幾 nF 到幾十 nF 之間，具體數值需要根據電路的具體情況和負載特性進行調整。過大的補償電容可能會導致響應速度變慢，過小的電容則可能無法有效抑制振蕩。

　　5.3 散熱問題

　　盡管 TL431 的功耗通常不高，但在某些大電流應用中，例如作為大功率恒流源或在較高輸入電壓下使用時，其功耗可能會顯著增加。TL431 的功耗可以通過以下公式計算： PD=VKA×IK 其中 VKA 是陰極-陽極電壓， IK 是陰極電流。如果功耗過高，會導致 TL431 內部結溫升高，甚至超過其最大允許結溫，從而影響器件的壽命和性能。在這種情況下，需要選擇具有更好散熱能力的封裝形式（例如 TO-220）或增加散熱片。

　　5.4 噪聲抑制

　　在某些對噪聲敏感的應用中，可能需要在 TL431 的 REF 引腳上增加一個小電容，以旁路高頻噪聲。此外，良好的 PCB 布局和接地設計對于抑制噪聲也至關重要。將 TL431 及其相關的電阻電容盡可能靠近，并確保接地回路短而粗，可以有效減少噪聲干擾。

　　5.5 電阻選擇

　　用于設置輸出電壓的電阻 R1 和 R2 的精度會直接影響最終輸出電壓的精度。建議使用精密電阻，例如 1% 或更高精度的金屬膜電阻，以獲得更好的穩壓性能。此外，電阻的溫度系數也應考慮，以確保在不同環境溫度下輸出電壓的穩定性。

　　5.6 啟動問題

　　在某些電源設計中，TL431 可能需要一個啟動電阻或啟動電路，以確保其在電源剛上電時能夠獲得足夠的最小工作電流并進入穩壓狀態。特別是在大負載啟動時，如果啟動電流不足，TL431 可能無法正常工作，導致輸出電壓無法建立。

　　5.7 瞬態響應

　　TL431 在負載突變或輸入電壓瞬變時的響應速度和穩定性也是一個重要的考慮因素。通過合理選擇補償電容和輸出濾波電容，可以優化瞬態響應。輸出電容可以提供一個能量緩沖，平滑輸出電壓的波動。

　　6. TL431 與傳統齊納二極管的比較

　　TL431 相比傳統的齊納二極管具有顯著的優勢：

　　可調性： 齊納二極管的穩壓值是固定的，而 TL431 的輸出電壓可以通過外部電阻精確設置，具有極大的靈活性。

　　精度： TL431 內部集成了一個高精度的電壓基準源和誤差放大器，其穩壓精度通常遠高于普通齊納二極管。TL431 的參考電壓溫度系數也優于普通齊納二極管，這意味著在溫度變化時，其穩壓性能更穩定。

　　溫度穩定性： TL431 經過溫度補償設計，其參考電壓隨溫度變化很小，因此在寬溫度范圍內都能保持良好的穩壓性能。而齊納二極管的擊穿電壓受溫度影響較大。

　　動態阻抗： TL431 在其正常工作電流范圍內具有非常低的動態阻抗，這意味著它對負載電流或輸入電壓的變化具有更好的抑制能力，輸出電壓更加穩定。齊納二極管的動態阻抗相對較高。

　　應用靈活性： TL431 不僅可以作為穩壓器，還可以作為電流源、過壓保護、電壓比較器等，應用范圍遠超齊納二極管。

　　7. TL431 的封裝類型

　　TL431 提供多種封裝類型，以滿足不同應用的需求，包括：

　　TO-92: 經典的直插式封裝，體積相對較大，適用于空間要求不高的應用。

　　SOT-23: 小尺寸表面貼裝封裝，適用于緊湊型電路板。

　　SOP-8/SOIC-8: 標準的表面貼裝封裝，具有多個引腳，通常用于集成其他功能或多路 TL431。

　　SOT-89: 介于 SOT-23 和 TO-92 之間，通常用于對散熱有一定要求但空間又相對有限的場合。

　　TO-220: 較大尺寸的封裝，通常帶有散熱片，適用于大電流和高功耗的應用。

　　選擇合適的封裝類型需要綜合考慮電路板空間、功耗、散熱要求和成本等因素。

　　8. TL431 變種與替代品

　　除了標準的 TL431，市場上還有一些性能增強或功能略有差異的變種和替代品：

　　TL431A/B/C: 這些后綴通常表示不同等級的參考電壓精度。例如，TL431A 比 TL431 的精度更高。

　　LM431: 與 TL431 功能和引腳兼容，通常具有類似或稍好的性能。

　　AZ431: 另一個常見的兼容型號。

　　NCP431: ON Semiconductor 生產的兼容型號。

　　更高精度或低噪聲版本： 一些廠家也推出了具有更高精度、更低噪聲或更寬工作溫度范圍的特殊版本，以滿足特定高性能應用的需求。

　　在選擇替代品時，務必仔細查閱數據手冊，確認其電氣參數、引腳定義和性能是否與原設計兼容。

　　9. TL431 的故障排除與常見問題

　　在使用 TL431 的過程中，可能會遇到一些問題。了解其常見故障和排查方法有助于快速解決問題。

　　9.1 輸出電壓不穩定或振蕩

　　原因:

　　補償不足: 反饋回路的相位裕度不足，導致振蕩。

　　負載變化過快: 負載瞬態響應不良。

　　輸入電源紋波過大: 輸入電源質量不佳。

　　最小工作電流未滿足: 流過 TL431 的電流低于其最小要求。

　　反饋電阻選擇不當: 阻值過大或分布電容影響。

　　PCB 布局問題: 地線環路、信號線耦合等。

　　解決方案:

　　增加補償電容: 在 REF 引腳和陰極之間并聯一個適當容量的電容（通常為幾 nF 到幾十 nF），并嘗試調整其值。

　　增加輸出電容: 在輸出端并聯一個電容，以改善負載瞬態響應。

　　改善輸入電源質量: 增加輸入濾波電容。

　　檢查限流電阻: 確保流過 TL431 的最小電流滿足要求。

　　優化反饋電阻: 嘗試使用更小阻值的電阻，或使用并聯電容來抵消寄生電容效應。

　　檢查 PCB 布局: 確保地線連接良好，信號線遠離噪聲源。

　　9.2 輸出電壓不準確

　　原因:

　　反饋電阻精度不足: R1 和 R2 的公差過大。

　　TL431 本身精度等級不夠: 選擇的 TL431 型號精度較低。

　　溫度漂移: 環境溫度變化導致參考電壓漂移。

　　測量誤差: 測量儀表精度不足或測量方法不當。

　　寄生電阻/電容: PCB 引線電阻或焊點接觸不良。

　　解決方案:

　　使用精密電阻: 選擇 1% 或更高精度的金屬膜電阻。

　　選擇高精度 TL431: 例如 TL431A 或 TL431B。

　　考慮溫度系數: 如果溫度變化范圍大，可能需要進行溫度補償設計。

　　校準測量設備: 使用高精度萬用表或示波器進行測量。

　　檢查焊接和 PCB: 確保良好的電氣連接。

　　9.3 TL431 損壞或過熱

　　原因:

　　過壓: 輸入電壓超過 TL431 的最大額定電壓。

　　過流: 流過 TL431 的電流超過其最大額定電流。

　　功耗過大: 未能有效散熱。

　　反向連接: TL431 引腳接反。

　　靜電放電 (ESD): 未采取防靜電措施。

　　解決方案:

　　檢查輸入電壓: 確保在 TL431 的工作范圍內。

　　計算并限制電流: 重新計算限流電阻或調整電路參數，確保電流在安全范圍內。

　　改善散熱: 更換更大封裝的 TL431，或增加散熱片。

　　檢查引腳連接: 確保按照數據手冊正確連接。

　　采取 ESD 防護措施: 在操作時佩戴防靜電手環等。

　　9.4 啟動困難

　　原因:

　　最小工作電流未滿足: 在啟動瞬間，流過 TL431 的電流不足以使其進入穩壓狀態。

　　負載過大: 啟動時負載電流過大，導致電壓跌落。

　　電源啟動特性: 輸入電源上升緩慢或帶有欠壓鎖定功能。

　　解決方案:

　　增加啟動電阻或輔助啟動電路: 確保在啟動時有足夠的電流流過 TL431。

　　分級啟動負載: 如果可能，逐步增加負載。

　　檢查輸入電源： 確保其啟動特性良好。

　　10. 結論

　　TL431 作為一款高性能、多功能的精密可調分流穩壓器，在電子電路設計中扮演著舉足輕重的角色。其獨特的可編程輸出電壓、高精度、低溫度系數以及靈活的應用方式，使其成為眾多電源管理和穩壓方案的首選器件。從簡單的電壓基準源到復雜的開關電源反饋回路，TL431 都展現出卓越的性能和可靠性。

　　通過深入理解 TL431 的內部結構、工作原理和主要參數，并結合實際應用中的設計考量，工程師可以充分發揮其優勢，設計出穩定、高效、可靠的電子產品。同時，了解常見的故障排除方法也能幫助快速解決設計和調試過程中遇到的問題。隨著電子技術的不斷發展，TL431 及其改進型器件將繼續在各種創新應用中發揮關鍵作用。希望本資料能為廣大讀者提供一份有價值的 TL431 參考指南，助力您的電子設計之旅。