基于TL431的線性精密穩壓電源設計|壹芯微

針對恒壓供電傳感器、變送器的需要，針對溫度漂移小，輸入寬電壓及大電流負載的問題，根據常用單端穩壓芯片TL431內部結構、工作原理和主要特點，本文提出了一種TL431的線性精密穩壓電源的設計方案，下面將介紹該方案的設計過程與結果。

1.引言

TL431是一個有良好熱穩定性能的三端可調精密電壓基準集成芯片，具有體積小、價格低廉、性能優良等特點：它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從參考電壓(2.5V)到36V范圍內的任何值，典型動態阻抗僅為0.2Ω，電壓參考誤差為±0.4%,負載電流能力從1.0mA到100mA,溫度漂移低，輸出噪聲電壓低等。基于以上特點，不僅可以用于恒流源電路、電壓比較器電路、電壓監視器電路、過壓保護電路等電路中、還廣泛應用于線性穩壓電源、開關穩壓電源等直流穩壓電源電路中。

2.TL431概述

2.1TL431的符號

該器件的符號如圖1，三個引腳分別為：陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF)，參考電壓為2.5V。

TL431符號

2.2TL431的內部電路圖

由內部電路圖圖2可以看出，它由多極放大電路、偏置電路、補償和保護電路組成，其中晶體管V1構成輸入極，V3、V4、V5構成穩壓基準，V7和V8組成的鏡像恒流源與V6、V9構成差分放大器作中間級，V10、V11形成復合管，構成輸出，其它一些電阻、電容、二級管分別起偏置、補償和保護作用，在原理上它是一個單端輸入、單端輸出直流放大器。

TL431的內部電路圖

然而其等效功能示意圖如圖3所示，由一個2.5V的精密基準電壓源、一個電壓比較器和一輸出開關管等組成，參考端的輸出電壓與精密基準電壓源Vref相比較，當參考端電壓超過2.5V時，TL431立即導通。因為R端控制電壓誤差為±1%，所以參考端能精確地控制TL431的導通與截止。

TL431等效功能示意圖

3.并聯穩壓電路設計

3.1基本并聯穩壓電路原理

TL431內部含有一個2.5V的基準電壓，所以當在Vref端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖4所示的電路，當R1和R2的阻值確定時，兩者對VO的分壓引入反饋，若增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導致VO下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在等于基準電壓處穩定，此時VO=(1+R1/R2)Vref.選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內的任意電壓輸出，特別地，當R1=R2時，VO=5V.若使R1短路，R2開路，即把參考端與陰極端短接，此時則有輸出電壓VO=2.5V(參考端電壓)，最適合用于數字電壓表和模數轉換器或其它電路中作基準電壓源。

基本并聯穩壓電路

需要注意的是，和在選擇電阻R時必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1mA，R1和R2要選擇精度為1%的同類電阻，才能保證基準電源的長期穩定性。

3.2并聯擴流穩壓電路

在多種應用電路中，實際上是將圖5為在圖4的基礎上將電路稍加改進，采用三極管擴流，組成大電流基準電壓源，且圖5中的晶體管可根據負載電流的大小選用不同功率的晶體管，這時限流電阻R也要相應增加其功率。

TL431并聯擴流穩壓電路

并聯穩壓電路適用于各種傳感器、變送器、和儀表各種A/D轉換器中，圖6就是在電偶變送器中的應用。

TL431基準穩壓電路在電偶電路中的應用

4.串聯擴流穩壓電路

TL431除了可使用在并聯穩壓電路中，圖4和圖5中的限流電阻R的功耗就要隨著輸入電壓的不同而功率發生變化，需用功率大的限流電阻，否則就會因電流過大而損壞。

TL431高精度大電流串聯穩壓電路

采用串聯行的接法，如圖7，解決了上述問題。將流經限流電阻R電流的分流一部分，用兩個NPN的三極管V1和V2，通過NPN+NPN的同極性接法夠成NPN型達林頓管，放大倍數是V1和V2的放大倍數的乘積。這樣集電極不僅分流了圖5電阻R承受的大部分電流，解決了所需大功率電阻的問題，而且因達林頓管的電流放大能力增強，使TL431帶載能力增強，不用大功率三極管就可接大電流負載。

實際應用中，為差動變壓器式位移傳感器LVDT穩壓電源時，當負載電流為50mA時，流經R的電流僅為1mA,流過達林頓集電極的電路為49mA,電阻R采用小功率表貼電阻就能滿足需要，實現恒壓功能。而且在寬電源輸入下，輸出變化量小。如表1，測試條件為R1=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，R=3KΩ，負載電流50mA，TL431選用SOT-89封裝，型號為TL431QPK,寬電壓供電的情況下僅變化1mV。如果在并聯電路中使用，替代圖5中所示電路，效果更好。

輸出電壓Vo隨輸入電壓V1變化表

圖6所示電路具有良好的熱穩定性。由于TL431的溫度漂移低，0℃~40℃為6mV，-40℃~85℃和-40℃~125℃為14mV，所以輸出電壓的溫度特性要比普通恒壓源好的多，如果R1和R2選用溫度漂移系數低的電阻，恒壓電路的整體溫度漂移也很小，在應用中無需附加溫度補償電路。實際應用中，R1=2.5KΩ，R2=3.5KΩ，從型號TL431QPK,SOT-89封裝50個芯片中隨機抽取3支，用圖6所示電路作為差動變壓器式位移傳感器的穩壓電路，溫區范圍-40℃~125℃，溫漂測量如表2所示，僅有幾個到十幾毫伏，均符合所給指標。

可見串聯電路提高了穩定精度，降低了TL431的功耗，減少了TL431因過熱而損壞的機率，上述電路不但可以作為工業級的傳感器穩壓基準，而且可以為寬溫區低溫漂的軍品級的產品精密穩壓電源基準，是一款實用的精密線性穩壓電路。

結語

本文總結了基于TL431的線性精密穩壓電源的設計過程，后經過大量實驗和長期應用證明了本方案所設計的基于TL431的可調式精密穩壓電源實現了大功率、寬電壓、低溫漂的功能，性價比高具有很強的使用性能。

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