眾所周知,，TL431在開關電源(SMPS)反饋環(huán)路中是參考電壓,。該器件結合了參考電壓與集電極開路誤差放大器,，具有操作簡單和成本低廉等優(yōu)點,。雖然TL431已在業(yè)內(nèi)被長期廣泛采用,，但一些設計人員仍會忽略它的偏置電流,，以致在無意間降低產(chǎn)品的最終性能。
TL431的簡化電路圖如圖1所示,，圖中包括了驅(qū)動NPN 晶體管的參考電壓和誤差放大器,，在該封閉的電源系統(tǒng)中，一部分輸出電壓一直與TL431的Vref(參考電壓)進行比較,。
圖1 TL431等效電路圖
圖2 SMPS簡化直流模型(不考慮輸入波動)
轉(zhuǎn)換器簡化直流模型如圖2所示,，Vout與Vref通過受傳輸率?影響的電阻分壓器進行比較，可得到輸出電壓的理論值為Vref/α,。然而,，整個增益鏈路和各種阻抗均會影響輸出電壓，如下式所示，其中每個希臘字母均表示一個增益,，RSOL表示開環(huán)輸出阻抗,。
Vout=(Vref-α×Vout) ×β×G- RSOL×Vout / RL (1)
Vout= Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL / RL) (2)
靜態(tài)誤差=Vref/α- Vout= Vref×(RSOL+ RL)/ [α×(RSOL+α×β×G×RL+RL)] (3)
從式(3)中可看出，增大增益的值有助減小靜態(tài)誤差,，提高輸出電壓精度,。受增益環(huán)路影響的另一個重要參數(shù)是輸出阻抗，系統(tǒng)的輸出阻抗可用不同的計算方法得出,。任何發(fā)生器均可簡化為它的Thevenin等效,，即一個電壓電源Vth (空載時測得的Vout，即令式2中的RSOL / RL =0)與一個輸出阻抗Rth的串聯(lián)電路,。設當負載電阻RL為閉環(huán)輸出阻抗Rth時,，輸出電壓Vout可減小至Vth/2，以此來計算輸出阻抗Rth,，也可將其表示為RSCL,。令Vth/2 = Vout求RSCL，由式(2)可得：
Vref×β×G/(1+α×β×G)/2=Vref×β×G/(1+α×β×G+ RSOL/Rth) (4)
RSCL = RSOL/(1+α×β×G) (5)
由式(5)可得出如下結論：
如果直流誤差放大器的增益較大,，且DC 較高,，則RsCL接近于零；
由于對反饋返回路徑?進行了補償,，所以,，當增益隨頻率增大而減小時，RSCL開始增大,。阻抗模塊隨頻率增大而增大,，說明該阻抗類似于電感；
當增益降至零時,，系統(tǒng)輸出阻抗與無反饋時的阻抗相同,，均為RSOL。此時,，系統(tǒng)開環(huán)工作,。
因此，為了減小靜態(tài)誤差,，并降低轉(zhuǎn)換器的動態(tài)輸出阻抗,，大多數(shù)SMPS 設計人員會在設計中保持較大的直流增益值。這里的直流增益由TL431提供,，可以采用如圖3所示的純積分器配置進行連接,。
圖3 使用傳統(tǒng)的分流穩(wěn)壓器配置連接TL431
假設圖3中的Rbias不存在。首先計算分壓器網(wǎng)絡Rupp和Rlow,，橋接電流Ib應大于TL431參考引腳的偏置電流6.5?A(最大值),，以減小因偏置而引起的Rupp誤差。對于12V輸出電壓，假設 Ib=1mA,。由于TL431通過Rlow施加的電壓為2.5V,，而Rupp施加的電流為1mA，因此可以計算出Rlow為 2.5 / 1m = 2.5k?,，而Rupp則等于(12-2.5)/ 1m=9.5k?,。可進一步選擇更小的偏置電流,，以減小空載條件下的待機能耗,。橋接電流值確定后，即可計算RS,。RS必須能提供足夠的電流,，使光耦合器集電極(或反饋引腳)小于1.2V，以啟動空載工作狀態(tài)下的跳周期,。在NCP1200中,，引腳2和內(nèi)部5V參考電壓間有一個8k?的上拉電阻。如果反饋電流為475?A,，可將引腳2拉至1.2V (Vpin2=5-475?×8k),。考慮到光耦合器在較差情況下有50%的電流轉(zhuǎn)換比例(CTR),，則RS必須小于(Vout-2.5-1V) / 950?<8.94k?,，假設為8.2k?。
在CTR為150%的較差情況下,，表示LED中需要的電流較小,，如果將8.2k?電阻與TL431串聯(lián)，則會發(fā)生以下情況：
1. 輕負載情況：IFB = 475?A,，則IL = 475?/ 1.5 = 316?A
2. 中負載情況：VFB = 2.3V，IFB = 337.5?A,，則 IL = 337.5?/ 1.5=225?A
3. 重負載情況：VFB = 3V,，IFB = 250?A，則IL = 250?/1.5 = 166?A
在這種情況下,，TL431的偏置電流不僅隨著負載電流而變化,，而且也隨著光耦合器CTR的變化而變化。此外,，減小RS也不起任何作用,，應該通過調(diào)節(jié)LED的內(nèi)部電流，來調(diào)整控制器端的正確反饋電壓,。這種情況的設計問題源自TL431的數(shù)據(jù)表：必須插入大于1mA的偏置電流,，才能從不同規(guī)格的TL431增益中獲益。如果不能正確偏置TL431，就會降低開環(huán)增益,，導致?增大,，RSCL也隨之增大。
這一問題可通過增加偏置電阻Rbias,，在外部施加一個偏置電流而解決,。由于最缺少電流，所以必須計算此電阻在較差情況下,，也就是重負載情況和最高CTR時的值,。這時IL = 166uA。因此,，RS上的電壓為166?×8.2k = 1.36V,。假設LED的正激壓降為1V，則陰極電壓為12 -1.36-1 = 9.64V,。已知Vout恒定為12V,，通過Rbias施加1mA電流得到，Rbias = (12-9.64) / 1m = 2.36k?,，或用 2.2k?得到歸一化值,。因此，在 TL431上施加的最小電流為 1mA + 166uA = 1.16mA,。在空載情況下,，IL=316 uA ，陰極電壓為12-(8.2k×316)-1 = 8.4V,，因此,，流經(jīng)TL431的總偏置電流為(12-8.4)/2.2k= 1.63mA，加上實際的反饋電流值316uA,，總偏置電流為1.95mA,，應處于安全電流范圍內(nèi)。
在NCP1200構成的電源上進行了有偏置電阻和無偏置電阻的實驗,，結果如圖4所示,。沒有偏置元件時，輸出阻抗測量值為57m?,；連接偏置電阻(阻值為3.3k?)后,，輸出阻抗值降至4m?。
圖4 TL431偏置電流過低時性能將明顯下降
總之,，通過外部電阻對TL431進行正確偏置是非常重要的,。如果無法承受額外的1mA輸出電流的預算(由于要盡量降低空載待機能耗)，就應使用TLV431 (Vref = 1.24V) 或NCP100 (Vref = 0.7V),，因為它們只需要100?A的最小偏置電流,，且擊穿電壓更小,。此外，8.2k?的串聯(lián)電阻RS極為罕見,，因為該電阻結合光耦合器的集電極上拉電阻可以產(chǎn)生直流增益,。如果電阻值約為1k或稍大于1k，則更接近標準值,。