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眾所周知，TL431在開(kāi)關(guān)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(kāi)路誤差放大器，具有操作簡(jiǎn)單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。雖然TL431已在業(yè)內被長(cháng)期廣泛采用，但一些設計人員仍會(huì )忽略它的偏置電流，以致在無(wú)意間降低產(chǎn)品的最終性能。 圖1 TL431等效電路圖 圖2 SMPS簡(jiǎn)化直流模型（不考慮輸入波動(dòng)） 圖3 使用傳統的分流穩壓器配置連接TL431 圖4 TL431偏置電流過(guò)低時(shí)性能將明顯下降 TL431的簡(jiǎn)化電路圖如圖1所示，圖中包括了驅動(dòng)NPN 晶體管的參考電壓和誤差放大器，在該封閉的電源系統中，一部分輸出電壓一直與TL431的Vref(參考電壓)進(jìn)行比較。轉換器簡(jiǎn)化直流模型如圖2所示，Vout與Vref通過(guò)受傳輸率?影響的電阻分壓器進(jìn)行比較，可得到輸出電壓的理論值為Vref/α。然而，整個(gè)增益鏈路和各種阻抗均會(huì )影響輸出電壓，如下式所示，其中每個(gè)希臘字母均表示一個(gè)增益，RSOL表示開(kāi)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(gè)重要參數是輸出阻抗，系統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(jiǎn)化為它的Thevenin等效，即一個(gè)電壓電源Vth(空載時(shí)測得的Vout，即令式2中的RSOL / RL =0)與一個(gè)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(shí)，輸出電壓Vout可減小至Vth/2，以此來(lái)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： 1.如果直流誤差放大器的增益較大，且DC較高，則RsCL接近于零； 2.由于對反饋返回路徑?進(jìn)行了補償，所以，當增益隨頻率增大而減小時(shí)，RSCL開(kāi)始增大。阻抗模塊隨頻率增大而增大，說(shuō)明該阻抗類(lèi)似于電感； 3.當增益?降至零時(shí)，系統輸出阻抗與無(wú)反饋時(shí)的阻抗相同，均為RSOL。此時(shí)，系統開(kāi)環(huán)工作。 因此，為了減小靜態(tài)誤差?，并降低轉換器的動(dòng)態(tài)輸出阻抗，大多數SMPS 設計人員會(huì )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(jìn)行連接。 假設圖3中的Rbias不存在。首先計算分壓器網(wǎng)絡(luò )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(guò)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?�？蛇M(jìn)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(dòng)空載工作狀態(tài)下的跳周期。在NCP1200中，引腳2和內部5V參考電壓間有一個(gè)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)�？紤]到光耦合器在較差情況下有50%的電流轉換比例(CTR)，則RS必須小于(Vout-2.5-1V) / 950? 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(huì )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(zhù)負載電流而變化，而且也隨著(zhù)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(guò)調節LED的內部電流，來(lái)調整控制器端的正確反饋電壓。這種情況的設計問(wèn)題源自TL431的數據表：必須插入大于1mA的偏置電流，才能從不同規格的TL431增益中獲益。如果不能正確偏置TL431，就會(huì )降低開(kāi)環(huán)增益?，導致增大，RSCL也隨之增大。 這一問(wèn)題可通過(guò)增加偏置電阻Rbias，在外部施加一個(gè)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(shí)的值。這時(shí)IL= 166?A。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(guò)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 + 166?A = 1.16mA。在空載情況下，IL=316?A ，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(shí)際的反饋電流值316?A，總偏置電流為1.95mA，應處于安全電流范圍內。在NCP1200構成的電源上進(jìn)行了有偏置電阻和無(wú)偏置電阻的實(shí)驗，結果如圖4所示。沒(méi)有偏置元件時(shí)，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?。 總之，通過(guò)外部電阻對TL431進(jìn)行正確偏置是非常重要的。如果無(wú)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(jiàn)，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。 |
